Bränsleceller har inte varit särskilt kända för sina praktiska och prisvärda, men det kanske bara har ändrats. Det finns en ny cell som drivs med billigt bränsle vid temperaturer som är jämförbara med bilmotorer och som minskar materialkostnaderna.

Även om cellen är i labbet, den har stor potential att en dag elektriskt driva hem och kanske bilar, säger forskarna vid Georgia Institute of Technology som ledde dess utveckling. I en ny studie i tidskriften Naturenergi forskarna berättade i detalj hur de ombildade hela bränslecellen med hjälp av en nyuppfunnen bränslekatalysator.

Katalysatorn har avstått från dyrt vätebränsle genom att göra sitt eget av billiga, lätt tillgänglig metan. Och förbättringar i hela cellen kylde dramatiskt de sjudande driftstemperaturerna som är vanliga i metanbränsleceller, en slående ingenjörsprestation.

Metanbränsleceller kräver vanligtvis temperaturer på 750 till 1, 000 grader Celsius att köra. Den här nya behöver bara cirka 500, som till och med är ett snäpp svalare än bilförbränningsmotorer, som går runt 600 grader Celsius.

Den lägre temperaturen kan utlösa kaskad kostnadsbesparingar i den tillhörande tekniken som behövs för att driva en bränslecell, potentiellt driva den nya cellen till kommersiell livskraft. Forskarna känner sig säkra på att ingenjörer kan designa elektriska kraftenheter runt denna bränslecell med rimlig ansträngning, något som har gäckat tidigare metanbränsleceller.

"Sensation i vår värld"

"Vår cell skulle kunna göra en enkel, robust övergripande system som använder billigt rostfritt stål för att göra sammankopplingar, sa Meilin Liu, som ledde studien och är Regents' Professor i Georgia Tech School of Material Science and Engineering. Sammankopplingar är delar som hjälper till att sammanföra många bränsleceller till en stapel, eller funktionell enhet.

"Över 750 grader Celsius, ingen metall skulle klara temperaturen utan oxidation, så du skulle ha mycket problem med att få tag i material, och de skulle vara extremt dyra och ömtåliga, och förorenar cellen, " sa Liu.

"Att sänka temperaturen till 500 grader Celsius är en sensation i vår värld. Väldigt få människor har ens testat det, "sa Ben deGlee, en forskarassistent i Lius labb och en av de första författarna till studien. "När du kommer så lågt, det gör jobbet för ingenjören att designa stack och anslutna teknologier mycket enklare."

Den nya cellen eliminerar också behovet av en större tilläggsanordning som kallas en ångreformator, som normalt behövs för att omvandla metan och vatten till vätebränsle.

Liu, deGlee, medförfattare Yu Chen, som är postdoktor i Lius laboratorium, och den första författaren Yu Tang från University of Kansas publicerade resultaten av sin forskning den 29 oktober, 2018. Deras arbete finansierades av Office of Basic Energy Sciences och Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), båda i det amerikanska energidepartementet. Det finansierades också av National Science Foundations division för kemi.

"Distribuerad generation"

Forskningen baserades på en typ av bränslecell med hög potential för kommersiell livskraft, bränslecellen med fast oxid (SOFC). SOFC är kända för sin mångsidighet i bränslen de kan använda.

Om det går ut på marknaden, även om den nya cellen kanske inte driver bilar på ett tag, det kan landa tidigare i källare som en del av en mer decentraliserad, rengöringsmedel, billigare elnät. Bränslecellstacken i sig skulle vara ungefär lika stor som en skokartong, plus tillhörande teknik för att få det att fungera.

"Förhoppningen är att du skulle kunna installera den här enheten som en tanklös varmvattenberedare. Den skulle rinna av naturgas för att driva ditt hus, "Liu sa." Det skulle spara samhället och industrin de enorma kostnaderna för nya kraftverk och stora elnätutbyggnader. "

"Det skulle göra hem och företag mer maktoberoende, " Sa Liu. "Den sortens system skulle kallas distribuerad generation, och våra sponsorer vill utveckla det."

Hemmagjord väte

Väte är det bästa bränslet för att driva bränsleceller, men dess kostnad är orimlig. Forskarna kom på hur man omvandlar metan till väte i själva bränslecellen via den nya katalysatorn, som är gjord av cerium, nickel och rutenium och har den kemiska formeln Ce0.9Ni0.05Ru0.05O2, förkortat CNR.

När metan- och vattenmolekyler kommer i kontakt med katalysatorn och värmen, nickel klyver kemiskt metanmolekylen. Ruthenium gör samma sak med vatten. De resulterande delarna kommer tillbaka tillsammans som det mycket önskvärda väte (H2) och kolmonoxid (CO), som forskarna överraskande använde bra.

"CO orsakar prestandaproblem i de flesta bränsleceller, men här, vi använder det som bränsle, "Sa Chen.

Att göra el

H2 och CO fortsätter till ytterligare katalysatorlager som utgör anoden, den del av bränslecellen som avlägsnar elektroner, vilket gör kolmonoxid och väte positivt laddade joner. Elektronerna färdas via en tråd – vilket skapar elflödet – mot katoden.

Där, syre, som är väldigt elektronhungrig, suger upp elektronerna, stänga den elektriska kretsen och bli O2-joner. Joniserat väte och syre möts och lämnar systemet som vattenkondensation; kolmonoxid och syrejoner möts för att bli ren koldioxid, som kunde fångas.

För den energi som produceras, bränslecellsteknik skapar långt, mycket mindre koldioxid än förbränningsmotorer.

I vissa bränsleceller, vattnet i de initiala reaktionerna måste införas utifrån. I denna nya bränslecell, den fylls på i den sista reaktionsfasen, som bildar vatten som cyklar tillbaka för att reagera med metanen.

Katalysatorer konvergerar

Den nya katalysatorn, CNR, tillverkad av forskningssamarbetspartners vid University of Kansas, är det yttre lagret på cellens anodsida och fungerar som ett skyddande medel mot sönderfall, förlänger cellens livslängd. CNR har starka kohortkatalysatorer i de inre lagren och på andra sidan av cellen, katoden.

På katodänden, syrets reaktion och rörelse genom systemet är vanligtvis notoriskt långsam, men Lius labb har nyligen påskyndat det för att höja elproduktionen genom att använda vad som kallas nanofiberkatoder, som Lius labb utvecklat i en tidigare studie. (Se tidigare studie:En skräddarsydd dubbel perovskit nanofiberkatalysator möjliggör ultrasnabb syreutveckling.)

"Strukturerna hos dessa olika katalysatorer, såväl som nanofiberkatoder, tillsammans gjorde det möjligt för oss att sänka arbetstemperaturen, " sa Chen.