Endelig, en robust brændselscelle, der kører på metan ved praktiske temperaturer

Brændselsceller har ikke været særlig kendt for deres praktiske og overkommelige priser, men det kan lige have ændret sig. Der er en ny celle, der kører på billigt brændstof ved temperaturer, der kan sammenlignes med bilmotorer, og som reducerer materialeomkostningerne.

Selvom cellen er i laboratoriet, det har et stort potentiale til en dag at drive hjem og måske biler elektrisk, siger forskerne ved Georgia Institute of Technology, der ledede dets udvikling. I en ny undersøgelse i tidsskriftet Naturenergi forskerne detaljerede, hvordan de gentænkte hele brændselscellen ved hjælp af en nyopfundet brændstofkatalysator.

Katalysatoren har undværet højprisbrintbrændstof ved at lave sit eget ud af billige, let tilgængelig metan. Og forbedringer i hele cellen afkølede de sygende driftstemperaturer, der er sædvanlige i metanbrændselsceller, dramatisk, en slående ingeniørpræstation.

Metanbrændselsceller kræver normalt temperaturer på 750 til 1, 000 grader Celsius for at køre. Denne nye har kun brug for omkring 500, som endda er en tand køligere end bilforbrændingsmotorer, som kører ved omkring 600 grader Celsius.

Den lavere temperatur kan udløse cascading omkostningsbesparelser i den tilhørende teknologi, der er nødvendig for at drive en brændselscelle, potentielt skubber den nye celle til kommerciel levedygtighed. Forskerne føler sig sikre på, at ingeniører kan designe elektriske kraftenheder omkring denne brændselscelle med rimelig indsats, noget, der har unddraget sig tidligere metanbrændselsceller.

'Sensation i vores verden'

"Vores celle kunne sørge for en ligetil, robust overordnet system, der bruger billigt rustfrit stål til at lave sammenkoblinger, " sagde Meilin Liu, som ledede undersøgelsen og er Regents' Professor i Georgia Tech's School of Material Science and Engineering. Sammenkoblinger er dele, der hjælper med at samle mange brændselsceller i en stak, eller funktionel enhed.

"Over 750 grader Celsius, intet metal ville modstå temperaturen uden oxidation, så du ville have mange problemer med at få materialer, og de ville være ekstremt dyre og skrøbelige, og forurener cellen, " sagde Liu.

"At sænke temperaturen til 500 grader Celsius er en sensation i vores verden. Meget få mennesker har endda prøvet det, " sagde Ben deGlee, en færdiguddannet forskningsassistent i Lius laboratorium og en af ​​de første forfattere til undersøgelsen. "Når du kommer så lavt, det gør jobbet for ingeniøren med at designe stakken og de tilsluttede teknologier meget lettere."

Den nye celle eliminerer også behovet for en større hjælpeanordning kaldet en dampreformer, som normalt er nødvendigt for at omdanne metan og vand til brintbrændstof.

Liu, deGlee, medforfatter Yu Chen, som er postdoktor i Lius laboratorium, og co-first forfatter Yu Tang fra University of Kansas offentliggjorde resultaterne af deres forskning den 29. oktober, 2018. Deres arbejde blev finansieret af Office of Basic Energy Sciences og Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), begge i det amerikanske energiministerium. Det blev også finansieret af National Science Foundation's Division of Chemistry.

'Distribueret generation'

Forskningen var baseret på en type brændselscelle med et højt potentiale for kommerciel levedygtighed, fast oxid brændselscellen (SOFC). SOFC'er er kendt for deres alsidighed i brændstoffer, de kan bruge.

Hvis det går på markedet, selvom den nye celle måske ikke driver biler i et stykke tid, det kunne lande hurtigere i kældre som en del af en mere decentraliseret, renere, billigere elnet. Selve brændselscellestakken ville være på størrelse med en skokasse, plus supplerende teknologi til at få det til at køre.

"Håbet er, at du kan installere denne enhed som en tankløs vandvarmer. Den ville løbe fra naturgas til at drive dit hus, " sagde Liu. "Det ville spare samfundet og industrien for de enorme omkostninger ved nye kraftværker og store udvidelser af elnet."

"Det ville gøre hjem og virksomheder mere magtuafhængige, " sagde Liu. "Den slags system ville blive kaldt distribueret generation, og det vil vores sponsorer gerne udvikle."

Hjemmelavet brint

Brint er det bedste brændstof til at drive brændselsceller, men dens omkostninger er ublu. Forskerne fandt ud af, hvordan man konverterer metan til brint i selve brændselscellen via den nye katalysator, som er lavet med cerium, nikkel og ruthenium og har den kemiske formel Ce0.9Ni0.05Ru0.05O2, forkortet CNR.

Når metan- og vandmolekyler kommer i kontakt med katalysatoren og varmen, nikkel spalter kemisk metanmolekylet. Ruthenium gør det samme med vand. De resulterende dele kommer igen sammen som det meget ønskværdige brint (H2) og kulilte (CO), som forskerne overraskende gav god nytte af.

"CO forårsager præstationsproblemer i de fleste brændselsceller, men her, vi bruger det som brændstof, " sagde Chen.

At lave elektricitet

H2 og CO fortsætter til yderligere katalysatorlag, der udgør anoden, den del af brændselscellen, der trækker elektroner af, hvilket gør carbonmonoxid og brint positivt ladede ioner. Elektronerne bevæger sig via en ledning - skaber elektricitetsstrømmen - mod katoden.

der, ilt, som er meget elektronhungrende, suger elektronerne op, lukke det elektriske kredsløb og blive til O2-ioner. Ioniseret brint og oxygen mødes og forlader systemet som vandkondensation; kulilte- og oxygenioner mødes og bliver til ren kuldioxid, som kunne fanges.

For den producerede energi, brændselscelleteknologi skaber langt, langt mindre kuldioxid end forbrændingsmotorer.

I nogle brændselsceller, vandet i de indledende reaktioner skal indføres udefra. I denne nye brændselscelle, det er genopfyldt i den sidste reaktionsfase, som danner vand, der cykler tilbage for at reagere med metanen.

Katalysatorer konvergerer

Den nye katalysator, CNR, fremstillet af forskningssamarbejdspartnere ved University of Kansas, er det yderste lag af anodesiden af ​​cellen og fungerer som en beskyttelsesmiddel mod forfald, forlænger cellens levetid. CNR har stærke kohortekatalysatorer i de indre lag og på den anden side af cellen, katoden.

På katodeenden, oxygens reaktion og bevægelse gennem systemet er normalt notorisk langsom, men Lius laboratorium har for nylig fremskyndet det for at øge elektricitetsoutputtet ved at bruge det, der kaldes nanofiberkatoder, som Lius laboratorium udviklede i en tidligere undersøgelse. (Se tidligere undersøgelse:En skræddersyet dobbelt perovskit nanofiber katalysator muliggør ultrahurtig iltudvikling.)

"Strukturerne af disse forskellige katalysatorer, samt nanofiberkatoder, alt sammen tillod os at sænke driftstemperaturen, " sagde Chen.