Protoniska keramiska bränsleceller skulle en dag kunna användas för att driva stugor utanför nätet på avlägsna platser, backup-generatorer under naturkatastrofer och mer.

I den första långtidsstudien i sitt slag, forskare från Colorado School of Mines har visat att den relativt nya klassen av bränsleceller uppvisar både den långsiktiga hållbarhet och bränsleflexibilitet som krävs för att bli ett gångbart kommersiellt alternativ till andra befintliga bränslecellsteknologier.

I alla, forskare testade 11 olika bränslen – väte, metan, inhemsk naturgas (med och utan svavelväte), propan, n-butan, i-butan, iso-oktan, metanol, etanol och ammoniak – uppvisar utmärkt prestanda och exceptionell hållbarhet för alla bränsletyper under tusentals drifttimmar. Deras resultat, "Mycket hållbar, koks- och svaveltolerant, bränsleflexibla protoniska keramiska bränsleceller, " publicerades idag av tidskriften Natur .

"Protoniska keramiska bränsleceller (PCFC) är mycket bränsleflexibla. Vi kan mata dem med alla möjliga olika verkliga bränslen och göra elektricitet, sa Ryan O'Hayre, professor i metallurgisk och materialteknik och medförfattare till artikeln med Mines Ph.D. kandidat Chuancheng Duan. "Det skiljer sig mycket från andra bränsleceller som bara fungerar på väte. Vissa högtemperaturbränsleceller med fast oxid (SOFC) kommer också att drivas på andra bränslen men de är väldigt petiga – om du matar dem med andra bränslen än väte, de är mottagliga för kontaminering och nedbrytning, och deras prestanda sjunker snabbt med tiden. Våra bränsleceller mötte inte de problemen med långtidstester."

"Ingen kan få väte levererat till sin dörr så lätt, " tillade O'Hayre. "Men du kan gå på vägen till 7-Eleven och hämta en tank propan."

Protonisk keramik är en relativ nykomling i bränslecellsvärlden, materialet upptäcktes först i Japan 1980. Det var inte förrän i slutet av 1980-talet och början av 1990-talet, fastän, att tekniken började få acceptans, och under bara de senaste åtta åren, Forskare har gjort stora framsteg när det gäller att ta itu med stabilitetsfrågor och hur man gör de täta membran som krävs för att driva en enhet, sa O'Hayre.

Prestandatesterna som utfördes vid Mines var 10 gånger längre än någon tidigare ansträngning, sa O'Hayre. För testerna, Duan designade och byggde ett bränslecellstestsystem där han samtidigt kunde testa sju celler med olika bränslen i tusentals timmar. Installationen krävde noggrann övervakning under mer än två år.

"Det längsta testet var 8, 000 timmar, vilket är nästan ett helt år, " sa Duan. "Nedbrytningshastigheten för de flesta bränsleceller var mindre än 3 procent per 1, 000 timmar, som uppfyller kraven för kommersiella produkter."

Att utveckla en mycket hållbar bränslecellsteknik som direkt kan använda naturgas och kolväten är avgörande när det gäller kommersialisering, sa Duan.

Gruvforskare arbetar nu med Fuel Cell Energy, ett Connecticut-baserat bränslecellsföretag, att skala upp tekniken i labbskala och utveckla en förkommersiell prototyp som kan leverera den mängd elektricitet som behövs för att driva en husbil eller fjärrhytt, med finansiering från U.S. Department of Energy's Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E).

"Baserat på vårt nuvarande arbete och våra prestationer, det är dags att samarbeta med en industriell partner för att tillverka kommersiella produkter, " sa Duan. "Om tre år, det kommer att finnas en 500-watts PCFC-stack med direkt naturgas utvecklad baserat på vår teknik. På mindre än 10 år, det kommer att finnas en 1-kilowatt PCFC-stack som kan fungera som en strömförsörjning i huset, reservströmförsörjningen för kontor eller mobila basstationer."

"Detta är ett utmärkt exempel på de fruktbara samarbeten mellan Mines och CoorsTek som delvis katalyseras av deras ledande stöd för det nya CoorsTek Center for Applied Science and Engineering på campus, " Sa O'Hayre. "David Hook vid CoorsTek ledde högtemperatur XRD-studier som hjälpte oss att bättre förstå högtemperaturbeteendet hos vårt protoniska keramiska membran."