燃料電池在實用性和經(jīng)濟(jì)方面并不占優(yōu)勢，但這種情況可能剛剛被改變。有一種新的電池可以在與汽車發(fā)動機相當(dāng)?shù)臏囟认率褂昧畠r的燃料，并且降低材料的成本。

佐治亞理工學(xué)院(GeorgiaInstituteofTechnology)的研究人員說，雖然這個電池目前只停留在實驗室里，但它有很大的潛力，有朝一日可以為住宅和汽車提供電力。

在《自然能源》(NatureEnergy)雜志上發(fā)表的一項最新研究中，研究人員詳細(xì)描述了他們?nèi)绾卧谛掳l(fā)明的燃料催化劑的幫助下重新構(gòu)造整個電池。這種催化劑并不使用昂貴的氫燃料，取而代之的是便宜且容易得到的甲烷。

整個電池改進(jìn)的最大突破在于降低了的電池的工作溫度，而這在甲烷燃料電池中很常見，這是一項驚人的工程成就。甲烷燃料電池通常需要750到1000攝氏度的溫度才能運行。這個新引擎只需要500攝氏度左右即可正常工作，這甚至比運行在600攝氏度左右的汽車內(nèi)燃機還要低一個檔次。這種較低的溫度可能會讓操作燃料電池所需的輔助技術(shù)的成本大幅降低，從而有可能推動這種新型電池實現(xiàn)商業(yè)化。

研究人員相信工程師們可以通過適當(dāng)?shù)呐Γ谶@種燃料電池周圍設(shè)計出電力裝置，這是以前的甲烷燃料電池所沒有的。

感覺就像進(jìn)入了新的世界

領(lǐng)導(dǎo)這項研究的是喬治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院的教授劉美林(MeilinLiu)，他說，我們的電池可以制造出一個簡單、健壯的整體系統(tǒng)，使用廉價的不銹鋼來制造連接器。連接器是幫助將許多燃料電池組合到一個堆棧或功能單元的部件。在750攝氏度以上的高溫下，沒有一種金屬能在不被氧化的情況下經(jīng)受住這樣的高溫，所以你在獲取材料方面會遇到很多麻煩，而且這些材料非常昂貴和脆弱，而且有可能會污染電池。

當(dāng)我們把溫度降低到500攝氏度，感覺就像進(jìn)入了一個新的世界。Liuslab的研究生研究助理、該研究的首批作者之一本.德吉利(BendeGlee)說，很少有人嘗試過這種方法。當(dāng)溫度那么低的時候，工程師設(shè)計堆棧和連接技術(shù)的工作就會容易得多。

而且，這種新型電池并不需要一種稱為蒸汽轉(zhuǎn)化器的主要輔助設(shè)備，一般情況下需要蒸汽轉(zhuǎn)化器將甲烷和水轉(zhuǎn)化為氫燃料。Liu，deGlee以及聯(lián)合第一作者于晨(YuChen),Liuslab博士后研究員，和堪薩斯大學(xué)的共同第一作者YuTang于2018年10月29日發(fā)表了他們的研究成果。他們的工作由美國能源部的基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室和高級研究項目機構(gòu)(ARPA-E)資助。它還得到了國家化學(xué)科學(xué)基金會的資助。

分布式發(fā)電

這項研究基于一種具有商業(yè)可行性的燃料電池，固體氧化物燃料電池(SOFC)。SOFC以其在燃料使用上的多功能性而聞名。

如果投入市場，盡管這種新型電池在一段時間內(nèi)可能無法為汽車提供動力，但作為一個更加分散、更清潔、更廉價的電網(wǎng)的一部分，它可以更快地被安置在地下室。

燃料電池堆本身的大小相當(dāng)于一個鞋柜，加上一些輔助系統(tǒng)使其運行。希望你能像安裝無水箱熱水器一樣安裝這個設(shè)備。它將用天然氣為你的房子供電，劉說。

“這將為社會和工業(yè)節(jié)省下建造新發(fā)電廠和大規(guī)模電網(wǎng)的巨大成本。這將使家庭和企業(yè)的供能更加獨立。這種系統(tǒng)被稱為分布式發(fā)電，我們的贊助商想要開發(fā)這種系統(tǒng)。”

自制的氫

氫是燃料電池的最佳燃料，但其成本過高。

研究人員研究出了如何通過新型催化劑將燃料電池中的甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣。這種催化劑由鈰、鎳和釕制成，化學(xué)配方為Ce0.9Ni0.05Ru0.05O2，簡稱CNR。

當(dāng)甲烷和水分子接觸到催化劑和熱量時，鎳就會在化學(xué)上分解甲烷分子。釕同樣適用于水。由此產(chǎn)生的部分會以非常理想的氫(H2)和一氧化碳(CO)的形式重新組合在一起，研究人員驚奇地發(fā)現(xiàn)這兩種物質(zhì)得到了很好的利用。在大多數(shù)燃料電池中，CO會導(dǎo)致性能問題，但在這里，CO被用作燃料。

包括全新技術(shù)在內(nèi)的層疊式創(chuàng)新使研究人員能夠重構(gòu)燃料電池，使其在較低溫度下使用甲烷運行。圖中綠色的是釕鎳基催化劑，是新燃料電池中的一種創(chuàng)新材料。圖片來源：GeorgiaTech/Liulab

發(fā)電過程

H2和CO繼續(xù)進(jìn)一步形成構(gòu)成陽極的催化劑層，將一部分電子從燃料電池中拉出，使得一氧化碳和氫氣帶正電子。電子通過導(dǎo)線向陰極移動，產(chǎn)生電流。在那里，極度需要電子的氧吸收電子，關(guān)閉電路，變成氧離子。電離的氫和氧以水的形式相遇并離開系統(tǒng)；一氧化碳和氧離子相遇形成純二氧化碳，可以被捕獲。

相對于產(chǎn)生的能量來說，燃料電池技術(shù)產(chǎn)生的二氧化碳比內(nèi)燃機少得多。在一些燃料電池中，初始反應(yīng)中的水必須從外部引入。在這個新的燃料電池中，它在最后一個反應(yīng)階段得到補充，這就形成了水，然后循環(huán)回去和甲烷反應(yīng)。

催化劑聚合

新的催化劑CNR是由堪薩斯大學(xué)的研究合作者制造的，是電池陽極一側(cè)的外層，同時也是防止衰變的保護(hù)劑，延長了電池的壽命。

CNR的內(nèi)層和電池的另一側(cè)陰極都有很強的串聯(lián)催化劑。在陰極端，氧的反應(yīng)和通過系統(tǒng)的運動通常是出了名的慢，但是Liu的實驗室最近通過使用納米纖維陰極來加快它的速度以提高輸出電流，實驗室在之前的研究中開發(fā)了這種納米纖維陰極。(見先前的研究：一種定制的雙鈣鈦礦納米纖維催化劑使超快氧進(jìn)化)這些不同的催化劑的結(jié)構(gòu)，以及納米纖維陰極，讓我們可以降低工作溫度，陳說。