燃料電池的實(shí)用性和可負(fù)擔(dān)性過去一直以來并不怎么亮眼，但近正在發(fā)生改變。有一種新型電池在低于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度下運(yùn)行在廉價(jià)燃料上，并且削減了材料成本。

 佐治亞理工學(xué)院的研究人員表示，盡管該燃料電池在實(shí)驗(yàn)室階段中，但它有可能在某一天為家庭和汽車提供電力。在“ 自然能源 ”雜志的一項(xiàng)新研究中，研究人員詳細(xì)介紹了他們?nèi)绾卧谛掳l(fā)明的燃料催化劑的幫助下重新構(gòu)想整個(gè)燃料電池。

該催化劑通過使用便宜，易得的甲烷制造出自己的氫燃料。整個(gè)燃料電池的改進(jìn)降低了甲烷燃料電池中常見的沸騰工作溫度，這是一項(xiàng)引人注目的工程成就。

甲烷燃料電池通常需要750到1000攝氏度的溫度才能運(yùn)行。這個(gè)新的只需要大約500℃，這甚至比汽車內(nèi)燃機(jī)的溫度更低，汽車內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行溫度600℃。

較低的溫度可以引發(fā)運(yùn)行燃料電池所需的輔助技術(shù)的成本節(jié)約，從而可能將新電池推向商業(yè)可行性。研究人員相信，工程師可以通過合理的努力把這個(gè)燃料電池設(shè)計(jì)成發(fā)電單元，這是以前甲烷燃料電池所不具備的。

'我們的靈感'

“我們的電池可以制造一個(gè)簡(jiǎn)單，強(qiáng)大的整體系統(tǒng)，使用廉價(jià)的不銹鋼制造互連器，”領(lǐng)導(dǎo)該研究的梅林劉說，他是佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院的攝政教授。互連器是有助于將許多燃料電池集成為整個(gè)電堆或功能單元中的部件。

“高于750攝氏度，是一般金屬非常容易被氧化，這個(gè)溫度是無法承受的溫度，所以選擇材料方面會(huì)遇到很多麻煩，它們將會(huì)非常昂貴和十分脆弱，甚至?xí)廴救剂想姵貑卧?rdquo;劉說。

“將溫度降低到500攝氏度是我們世界的一種靈感。很少有人甚至嘗試過它，”實(shí)驗(yàn)室研究員助理，該研究的批作者之一Ben deGlee說。“當(dāng)你達(dá)到這個(gè)低溫度水平時(shí)，它使得工程師設(shè)計(jì)電堆和連接技術(shù)的工作變得更加容易。”

新燃料電池還消除了對(duì)稱為蒸汽重整器的主要輔助設(shè)備的需求，蒸汽重整器通常是將甲烷和水轉(zhuǎn)化為氫燃料。

'分布式發(fā)電'

該研究基于一種具有很高商業(yè)可行性潛力的燃料電池，即固體氧化物燃料電池（SOFC）。SOFC以其可用的燃料的多功能性而聞名。

如果它進(jìn)入市場(chǎng)，雖然新的電池可能短時(shí)間不能馬上為汽車供電，但它可以更快地降落在地下室，作為更分散，更清潔，更便宜的電網(wǎng)的一部分。燃料電池堆本身的體積大概和一個(gè)鞋盒差不多，加上輔助技術(shù)使其運(yùn)行。

“希望你可以安裝這種設(shè)備，就像一個(gè)無槽熱水器。它會(huì)用天然氣為你的房子供電，”劉說。“這將為社會(huì)和工業(yè)節(jié)省新發(fā)電廠和大型電網(wǎng)擴(kuò)建的巨大成本。”

“這將使家庭和企業(yè)更加獨(dú)立，”劉說。“這種系統(tǒng)將被稱為分布式發(fā)電，我們的贊助商希望開發(fā)這種系統(tǒng)。”

自制氫氣

氫氣是為燃料電池供電的jia燃料，但其成本過高。研究人員想出了如何通過新的催化劑將燃料電池中的甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣，該催化劑由鈰，鎳和釕制成，化學(xué)式為Ce0.9Ni0.05Ru0.05O2，縮寫為CNR。

當(dāng)甲烷和水分子與催化劑和熱量接觸時(shí)，鎳會(huì)化學(xué)裂解甲烷分子。釕與水同樣如此。當(dāng)把這些條件都放在一起時(shí)，研究人員意外的得到了非常理想的氫（H2）和一氧化碳（CO）。

“CO在大多數(shù)燃料電池中引起性能問題，但在這里，我們將作為燃料參加反應(yīng)發(fā)電，”陳說。

發(fā)電

H2和CO繼續(xù)進(jìn)一步形成構(gòu)成陽(yáng)極的催化劑層，電子從燃料電池的一個(gè)電極中析出，使得一氧化碳和氫氣帶正電離子。電子通過導(dǎo)線傳播 - 產(chǎn)生電流 - 朝向陰極。

在那里，非常需要電子的氧氣吸收電子，關(guān)閉電路并變成氧離子。當(dāng)水凝結(jié)時(shí)，離子化的氫和氧會(huì)合并離開系統(tǒng); 一氧化碳和氧離子相遇生成純二氧化碳，可被捕獲存儲(chǔ)和再利用。

相對(duì)于產(chǎn)生的能量，燃料電池產(chǎn)生的二氧化碳遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于內(nèi)燃機(jī)。

在一些燃料電池中，初始反應(yīng)中的水必須從外部引入和補(bǔ)充。在這個(gè)新的燃料電池中，它在后的反應(yīng)階段得到補(bǔ)充，形成的水循環(huán)回來與甲烷反應(yīng)。

催化劑匯聚

由堪薩斯大學(xué)的研究合作者制造的新催化劑CNR是電池陽(yáng)極側(cè)的外層，并且兼作防腐劑的保護(hù)劑，延長(zhǎng)了電池的壽命。CNR在內(nèi)層和陰極的另一側(cè)（陰極）是強(qiáng)的催化劑陣列。

在陰，氧氣的反應(yīng)和通過系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)通常都是非常緩慢的，但劉的實(shí)驗(yàn)室近加快了使用所謂的納米纖維陰極來提高電力輸出，這是劉的實(shí)驗(yàn)室在之前的研究中開發(fā)的。（參見先前的研究：定制的雙鈣鈦礦納米纖維催化劑可以實(shí)現(xiàn)超快的氧氣釋放。）

“這些各種催化劑的結(jié)構(gòu)，以及納米纖維陰極，都讓我們降低了工作溫度，”陳說。

Liu，deGlee，共同作者(Yu Chen)，他是Liu實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員，堪薩斯大學(xué)的Yu Tang于2018年10月29日公布了他們的研究成果。他們的工作由基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室和研究計(jì)劃局 - 能源（ARPA-E），均在美國(guó)能源部。它還得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)化學(xué)系的資助。

以下人員合著了這項(xiàng)研究：Zote Zhao，張磊，Seonyoung Yoo，Kai Pei，Jun Hyuk Kim和佐治亞理工學(xué)院的Yong Ding; 堪薩斯大學(xué)的Yuechang Wei和Franklin Feng Tao，以及貝爾法斯特女王大學(xué)的Ziyun Wang和P. Hu。該研究由美國(guó)能源部在以下機(jī)構(gòu)和計(jì)劃下資助：研究計(jì)劃署 - 能源（ARPA-E）REBELS計(jì)劃（獎(jiǎng)項(xiàng)DE-AR0000502）和SECA核心技術(shù)計(jì)劃（獎(jiǎng)項(xiàng)DE-FE0031201），基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室的催化計(jì)劃（授權(quán)DE-SC0014561）。它還得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)化學(xué)系（獎(jiǎng)項(xiàng)1462121）的資助。任何結(jié)果，結(jié)論和意見都是作者的意見，而不一定是資助機(jī)構(gòu)的意見。

相關(guān)資料和數(shù)據(jù)。
沸騰是指液體受熱超過其飽和溫度時(shí)，在液體內(nèi)部和表面同時(shí)發(fā)生劇烈汽化的現(xiàn)象。不同液體的沸點(diǎn)不同。即使同一液體，它的沸點(diǎn)也要隨外界的大氣壓強(qiáng)的改變而改變。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作溫度是85-105度之間
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