材料科学家推出了微小的低温甲烷燃料电池

2019-04-15 09:18:48
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使燃料电池实用且价格合理不会在一夜之间发生。然而,它可能不会花费更长的时间。

随着纳米结构设备的进步,较低的工作温度,以及丰富的燃料来源和更便宜的材料的使用,由哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)的Shriram Ramanathan领导的一组研究人员对于商业可行性越来越乐观。技术。

Ramanathan是固体氧化物燃料电池(SOFC)开发领域的专家和创新者,他说,事实上,它们很快就会成为移动技术的首选技术。

长期以来,电化学燃料电池一直被视为化石燃料的潜在环保替代品 - 特别是因为大多数SOFC仅留下水作为废物。

使用SOFC为笔记本电脑和手机充电或驱动下一代汽车和卡车的障碍仍然存在可靠性,温度和成本。

燃料电池通过将化学能(从氢或诸如甲烷的碳氢化合物燃料)转换成电流来运行。氧离子从阴极穿过电解质流向阳极,在那里它们氧化燃料以产生回到阴极的电子电流。

原则上这似乎很简单,但直到现在,SOFC更适合实验室而不是办公室或车库。在本月发表在“电源杂志”上的两项研究中,Ramanathan的团队报告了SOFC技术的一些重要进展,这些进展可能会加快其进入市场的步伐。

在第一篇论文中,Ramanathan的研究小组展示了不含任何铂的稳定且功能齐全的全陶瓷薄膜SOFC。

在薄膜SOFC中,使用密集的特殊陶瓷薄膜层,每个厚度仅为纳米,电解质减少到其通常规模的百分之一或千分之一。这些微型SOFC通常包含铂电极,但它们可能昂贵且不可靠。

“如果使用多孔金属电极,”Ramanathan解释说,“它们在长时间内往往具有固有的不稳定性。它们开始聚集并在燃料电池中形成开路。”

Ramanathan的无铂微型SOFC消除了这一问题,实现了双赢:更低的成本和更高的可靠性。

在本月发表的第二篇论文中,该团队展示了甲烷燃料微型SOFC在低于500摄氏度的温度下运行,这一壮举在该领域相对罕见。

传统的SOFC在大约800-1000°C的温度下运行,但这种高温仅适用于固定发电。简而言之,使用它们为智能手机中途通勤是不可行的。

近年来,材料科学家一直致力于将所需的工作温度降低到300-500°C左右,Ramanathan将其称为“甜蜜点”。

此外,当燃料电池在较低温度下运行时,材料可靠性不那么重要 - 例如,允许使用较便宜的陶瓷和金属互连 - 并且启动时间可以更短。

“低温是这个领域的圣杯,”拉马纳坦说。“如果你能够实现在300-500°C范围内运行的高性能固体氧化物燃料电池,你可以在运输车辆和便携式电子设备中使用它们,并使用不同类型的燃料。”

在团队的SOFC中使用甲烷(一种丰富且廉价的天然气)也值得关注。直到最近,氢气一直是SOFC的主要燃料。然而,纯氢需要更多的处理。

“制造纯氢气的成本很高,”Ramanathan说,“这严重限制了应用范围。”

随着甲烷开始成为首选燃料,温度,可靠性和可负担性的进步应该继续相互促进。

“SEAS的未来研究将探索甲烷SOFC的新型催化剂,目标是确定价格合理,土壤丰富的材料,这有助于进一步降低工作温度,”Ramanathan补充道。

SEAS的燃料电池研究由相同的NSF资助资助,该项目启用了由电气工程助理教授Robert J. Wood领导的“Robobees”项目。Wood和Ramanathan希望微型SOFC能够提供飞行机器人离地所需的微型电源。

Ramanathan在论文中的合着者是SEAS的研究员Bo Kuai Lai和博士。候选人Kian Kerman '14。

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