Protonische keramische brandstofcellen zouden ooit kunnen worden gebruikt om off-the-grid cabines op afgelegen locaties van stroom te voorzien. back-upgeneratoren tijdens natuurrampen en meer.

In de eerste langetermijnstudie in zijn soort, onderzoekers van de Colorado School of Mines hebben aangetoond dat de relatief nieuwe klasse brandstofcellen zowel de duurzaamheid op lange termijn als de brandstofflexibiliteit vertoont die nodig zijn om een ​​levensvatbaar commercieel alternatief te worden voor andere bestaande brandstofceltechnologieën.

In alles, onderzoekers testten 11 verschillende brandstoffen – waterstof, methaan, huishoudelijk aardgas (met en zonder waterstofsulfide), propaan, n-butaan, i-butaan, iso-octaan, methanol, ethanol en ammoniak - uitstekende prestaties en uitzonderlijke duurzaamheid voor alle soorten brandstof gedurende duizenden bedrijfsuren. Hun bevindingen, "Zeer duurzaam, cokes- en zwaveltolerant, brandstofflexibele protonische keramische brandstofcellen, "werden vandaag gepubliceerd door het tijdschrift Natuur .

"Protonische keramische brandstofcellen (PCFC's) zijn zeer brandstofflexibel. We kunnen ze allerlei verschillende real-world brandstoffen voeden en elektriciteit maken, " zei Ryan O'Hayre, hoogleraar metallurgische en materiaalkunde en co-hoofdauteur van het artikel met Mines Ph.D. kandidaat Chuancheng Duan. "Dat is heel anders dan andere brandstofcellen die alleen op waterstof werken. Sommige hogetemperatuur-vastoxidebrandstofcellen (SOFC's) werken ook op andere brandstoffen, maar ze zijn erg kieskeurig - als je ze andere brandstoffen dan waterstof geeft, ze zijn vatbaar voor vervuiling en degradatie, en hun prestaties nemen snel af met de tijd. Onze brandstofcellen hadden die problemen niet met langdurige tests."

"Niemand kan waterstof heel gemakkelijk aan de deur krijgen, ' voegde O'Hayre eraan toe. 'Maar je kunt naar de 7-Eleven gaan en een tank propaan pakken.'

Protonische keramiek is een relatieve nieuwkomer in de brandstofcelwereld, het materiaal werd pas in 1980 in Japan ontdekt. ​​Het was pas eind jaren tachtig en begin jaren negentig, Hoewel, dat de technologie acceptatie begon te krijgen, en in slechts de laatste acht jaar of zo, onderzoekers hebben grote vooruitgang geboekt bij het aanpakken van stabiliteitsproblemen en hoe de dichte membranen nodig zijn om een ​​apparaat van stroom te voorzien, zei O'Hayre.

De prestatietests die in Mines werden uitgevoerd, duurden 10 keer langer dan alle eerdere inspanningen, zei O'Hayre. Voor de testen, Duan ontwierp en bouwde een brandstofceltestsysteem waarmee hij gedurende duizenden uren tegelijkertijd zeven cellen met verschillende brandstoffen kon testen. De opzet vereiste een zorgvuldige monitoring gedurende het grootste deel van twee jaar.

"De langste test was 8, 000 uur, dat is bijna een heel jaar, Duan zei. "De afbraaksnelheid van de meeste brandstofcellen was minder dan 3 procent per 1, 000 uur, die voldoet aan de eisen van commerciële producten."

De ontwikkeling van een zeer duurzame brandstofceltechnologie die rechtstreeks aardgas en koolwaterstoffen kan gebruiken, is van cruciaal belang als het gaat om commercialisering, zei Duan.

Mijnonderzoekers werken nu met Fuel Cell Energy, een in Connecticut gevestigd brandstofcelbedrijf, om de technologie op laboratoriumschaal op te schalen en een pre-commercieel prototype te ontwikkelen dat de hoeveelheid elektriciteit zou kunnen leveren die nodig is om een ​​camper of een afgelegen cabine van stroom te voorzien, met financiering van het Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) van het Amerikaanse Department of Energy.

"Op basis van ons huidige werk en onze prestaties, het is tijd om samen te werken met een industriële partner om commerciële producten te maken, ' zei Duan. 'Over drie jaar, er zal een 500 watt direct-aardgas PCFC-stack worden ontwikkeld op basis van onze technologie. In minder dan 10 jaar, er zal een PCFC-stack van 1 kilowatt zijn die als huisvoeding kan dienen, de back-up stroomvoorziening voor kantoren of mobiele basisstations."

"Dit is een uitstekend voorbeeld van de vruchtbare samenwerkingen tussen Mines en CoorsTek, gedeeltelijk gekatalyseerd door hun leidende ondersteuning voor het nieuwe CoorsTek Center for Applied Science and Engineering op de campus, " zei O'Hayre. "David Hook van CoorsTek leidde hoge-temperatuur XRD-onderzoeken die ons hielpen het gedrag bij hoge temperaturen van ons protonische keramische membraan beter te begrijpen."