新型甲烷燃料电池将在大约500摄氏度温度运行 甚至比汽车内燃机温度更低

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。

该催化剂通过使用价格便宜、易得的甲烷制造氢燃料电池，同时通过改进电池，冷却了甲烷燃料电池中常见的沸腾操作温度。

甲烷燃料电池通常需要750－1000摄氏度的温度才能运行，新型电池却只需要大约500摄氏度的温度，甚至比汽车内燃机的温度更低（汽车内燃机的运行温度约600摄氏度）。

较低的温度将有效节省运行燃料电池所需辅助技术的成本，从而提升新电池推向商业话的可行性。

佐治亚理工学院材料科学与工程学院教授、研究负责人Meilin Liu称：“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。” 互连器是有助于将许多燃料电池集成到堆叠或功能单元中的部件。

“高于750摄氏度时，没有金属可以承受温度而不会氧化，所以在获取材料方面会遇到很多麻烦，而且它们非常昂贵和脆弱，并可能被污染。”刘说。

“将温度降低到500摄氏度在全球来看都是非常惊人的举动，很少有人甚至尝试过。”Ben deGlee表示，他是Meilin Liu实验室的研究生助理，也是该研究的第一批作者之一。“当你达到这个低水平时，它使得工程师设计堆栈和连接技术的工作变得更加容易。”

新电池还消除了对称为蒸汽重整器的主要辅助装置的需求，该装置通常需要将甲烷和水转化为氢燃料。

新电池进入市场，预计暂时不会为汽车供电，它可能会更快地降落在地下室，作为更分散，更清洁，更便宜的电网组成部分。燃料电池堆本身大约相当于鞋盒的大小，配合辅助技术可以使其运行。

Meilin Liu认为：“预计未来，该装置可以像无水热水器一样被安装，通过消耗耗天然气为房屋供电，它将使家庭和企业更加独立，并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。”

实际上，氢气是为燃料电池供电的最佳燃料，但成本过高的弊端限制了其商业化进程。研究人员想出了如何通过铈，镍和钌制成的新催化剂将燃料电池中的甲烷转化为氢气，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。由此产生的部件回归到一起，因为非常理想的氢（H2）和一氧化碳（CO），研究人员出人意料地使用了它们。

“CO在大多数燃料电池中引起性能问题，但在这里，我们将其用作燃料。”Meilin Liu表示。

H2和CO继续进一步形成构成阳极的催化剂层，燃料电池的一部分从电子中拉出，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O2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变成纯二氧化碳，可被捕获。

对于产生的能量，燃料电池技术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。在这个新的燃料电池中，它在最后的反应阶段得到补充，形成的水循环回来与甲烷反应。

研究堪萨斯大学合作者的新催化剂CNR是电池阳极侧的外层，兼作防腐剂的保护剂，可延长电池的寿命。CNR在内层和阴极的另一侧（阴极）具有强的队列催化剂。

在阴极端，氧气的反应和通过系统的运动通常都是非常缓慢的，但Meilin Liu的实验室最近加快了使用所谓的纳米纤维阴极来提高电力输出，即该实验室在之前的研究中开发出的定制双钙钛矿纳米纤维催化剂，可以实现超快的氧气释放。

“这些不同催化剂的结构，以及纳米纤维阴极，都使我们降低了工作温度。”研究人员表示。

目前，美国能源部的基础能源科学办公室和高级能源研究计划局（ARPA－E），以及美国国家科学基金会化学系均为该项目提供了资金支持。