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)動機(jī)的溫度下運(yùn)行在廉價燃料上，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簡單，強(qiáng)大的整體系統(tǒng)，使用廉價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，這個溫度是無法承受的溫度，所以選擇材料方面會遇到很多麻煩，它們將會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)到這個低溫度水平時，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，雖然新的電池可能短時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，就像一個無槽熱水器。它會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，鎳會化學(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，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)成陽極的催化劑層，電子從燃料電池的一個電極中析出，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，離子化的氫和氧會合并離開系統(tǒng); 一氧化碳和氧離子相遇生成純二氧化碳，可被捕獲存儲和再利用。

相對于產(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是電池陽極側(cè)的外層，并且兼作防腐劑的保護(hù)劑，延長了電池的壽命。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），均在美國能源部。它還得到了美國國家科學(xué)基金會化學(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（獎項(xiàng)DE-AR0000502）和SECA核心技術(shù)計(jì)劃（獎項(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）。它還得到了美國國家科學(xué)基金會化學(xué)系（獎項(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，在液體內(nèi)部和表面同時發(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)動機(jī)的正常工作溫度是85-105度之間
實(shí)用且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠：喬治亞理工學(xué)院MEILIN LIU實(shí)驗(yàn)室的