经济实用的甲烷燃料电池技术

 燃料电池的实用性和可负担性过去一直以来并不怎么亮眼，但近正在发生改变。有一种新型电池在低于汽车发动机的温度下运行在廉价燃料上，并且削减了材料成本。

 佐治亚理工学院的研究人员表示，尽管该燃料电池在实验室阶段中，但它有可能在某一天为家庭和汽车提供电力。在“ 自然能源 ”杂志的一项新研究中，研究人员详细介绍了他们如何在新发明的燃料催化剂的帮助下重新构想整个燃料电池。

该催化剂通过使用便宜，易得的甲烷制造出自己的氢燃料。整个燃料电池的改进降低了甲烷燃料电池中常见的沸腾工作温度，这是一项引人注目的工程成就。

甲烷燃料电池通常需要750到1000摄氏度的温度才能运行。这个新的只需要大约500℃，这甚至比汽车内燃机的温度更低，汽车内燃机的运行温度600℃。

较低的温度可以引发运行燃料电池所需的辅助技术的成本节约，从而可能将新电池推向商业可行性。研究人员相信，工程师可以通过合理的努力把这个燃料电池设计成发电单元，这是以前甲烷燃料电池所不具备的。

'我们的灵感'

“我们的电池可以制造一个简单，强大的整体系统，使用廉价的不锈钢制造互连器，”领导该研究的梅林刘说，他是佐治亚理工学院材料科学与工程学院的摄政教授。互连器是有助于将许多燃料电池集成为整个电堆或功能单元中的部件。

“高于750摄氏度，是一般金属非常容易被氧化，这个温度是无法承受的温度，所以选择材料方面会遇到很多麻烦，它们将会非常昂贵和十分脆弱，甚至会污染燃料电池单元”刘说。

“将温度降低到500摄氏度是我们世界的一种灵感。很少有人甚至尝试过它，”实验室研究员助理，该研究的批作者之一Ben deGlee说。“当你达到这个低温度水平时，它使得工程师设计电堆和连接技术的工作变得更加容易。”

新燃料电池还消除了对称为蒸汽重整器的主要辅助设备的需求，蒸汽重整器通常是将甲烷和水转化为氢燃料。

'分布式发电'

该研究基于一种具有很高商业可行性潜力的燃料电池，即固体氧化物燃料电池（SOFC）。SOFC以其可用的燃料的多功能性而闻名。

如果它进入市场，虽然新的电池可能短时间不能马上为汽车供电，但它可以更快地降落在地下室，作为更分散，更清洁，更便宜的电网的一部分。燃料电池堆本身的体积大概和一个鞋盒差不多，加上辅助技术使其运行。

“希望你可以安装这种设备，就像一个无槽热水器。它会用天然气为你的房子供电，”刘说。“这将为社会和工业节省新发电厂和大型电网扩建的巨大成本。”

“这将使家庭和企业更加独立，”刘说。“这种系统将被称为分布式发电，我们的赞助商希望开发这种系统。”

自制氢气

氢气是为燃料电池供电的jia燃料，但其成本过高。研究人员想出了如何通过新的催化剂将燃料电池中的甲烷转化为氢气，该催化剂由铈，镍和钌制成，化学式为Ce0.9Ni0.05Ru0.05O2，缩写为CNR。

当甲烷和水分子与催化剂和热量接触时，镍会化学裂解甲烷分子。钌与水同样如此。当把这些条件都放在一起时，研究人员意外的得到了非常理想的氢（H2）和一氧化碳（CO）。

“CO在大多数燃料电池中引起性能问题，但在这里，我们将作为燃料参加反应发电，”陈说。

发电

H2和CO继续进一步形成构成阳极的催化剂层，电子从燃料电池的一个电极中析出，使得一氧化碳和氢气带正电离子。电子通过导线传播 - 产生电流 - 朝向阴极。

在那里，非常需要电子的氧气吸收电子，关闭电路并变成氧离子。当水凝结时，离子化的氢和氧会合并离开系统; 一氧化碳和氧离子相遇生成纯二氧化碳，可被捕获存储和再利用。

相对于产生的能量，燃料电池产生的二氧化碳远远少于内燃机。

在一些燃料电池中，初始反应中的水必须从外部引入和补充。在这个新的燃料电池中，它在后的反应阶段得到补充，形成的水循环回来与甲烷反应。

催化剂汇聚

由堪萨斯大学的研究合作者制造的新催化剂CNR是电池阳极侧的外层，并且兼作防腐剂的保护剂，延长了电池的寿命。CNR在内层和阴极的另一侧（阴极）是强的催化剂阵列。

在阴，氧气的反应和通过系统的运动通常都是非常缓慢的，但刘的实验室近加快了使用所谓的纳米纤维阴极来提高电力输出，这是刘的实验室在之前的研究中开发的。（参见先前的研究：定制的双钙钛矿纳米纤维催化剂可以实现超快的氧气释放。）

“这些各种催化剂的结构，以及纳米纤维阴极，都让我们降低了工作温度，”陈说。

Liu，deGlee，共同作者(Yu Chen)，他是Liu实验室的博士后研究员，堪萨斯大学的Yu Tang于2018年10月29日公布了他们的研究成果。他们的工作由基础能源科学办公室和研究计划局 - 能源（ARPA-E），均在美国能源部。它还得到了美国国家科学基金会化学系的资助。

以下人员合着了这项研究：Zote Zhao，张磊，Seonyoung Yoo，Kai Pei，Jun Hyuk Kim和佐治亚理工学院的Yong Ding; 堪萨斯大学的Yuechang Wei和Franklin Feng Tao，以及贝尔法斯特女王大学的Ziyun Wang和P. Hu。该研究由美国能源部在以下机构和计划下资助：研究计划署 - 能源（ARPA-E）REBELS计划（奖项DE-AR0000502）和SECA核心技术计划（奖项DE-FE0031201），基础能源科学办公室的催化计划（授权DE-SC0014561）。它还得到了美国国家科学基金会化学系（奖项1462121）的资助。任何结果，结论和意见都是作者的意见，而不一定是资助机构的意见。

相关资料和数据。
沸腾是指液体受热超过其饱和温度时，在液体内部和表面同时发生剧烈汽化的现象。不同液体的沸点不同。即使同一液体，它的沸点也要随外界的大气压强的改变而改变。

汽车发动机的正常工作温度是85-105度之间
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