Brandstofcellen staan ​​niet bepaald bekend om hun bruikbaarheid en betaalbaarheid, maar dat is misschien net veranderd. Er is een nieuwe cel die werkt op goedkope brandstof bij temperaturen vergelijkbaar met automotoren en die de materiaalkosten verlaagt.

Hoewel de cel in het lab is, het heeft een groot potentieel om ooit huizen en misschien auto's elektrisch van stroom te voorzien, zeggen de onderzoekers van het Georgia Institute of Technology die de ontwikkeling leidden. In een nieuwe studie in het tijdschrift Natuur Energie de onderzoekers hebben gedetailleerd beschreven hoe ze de hele brandstofcel opnieuw hebben uitgevonden met behulp van een nieuw uitgevonden brandstofkatalysator.

De katalysator heeft de dure waterstofbrandstof overbodig gemaakt door zijn eigen goedkope, gemakkelijk beschikbaar methaan. En verbeteringen door de hele cel zorgden voor een drastische koeling van de ziedende bedrijfstemperaturen die gebruikelijk zijn in methaanbrandstofcellen. een opvallende technische prestatie.

Methaanbrandstofcellen vereisen meestal temperaturen van 750 tot 1, 000 graden Celsius om te rennen. Deze nieuwe heeft slechts ongeveer 500 nodig, dat zelfs een tandje koeler is dan verbrandingsmotoren van auto's, die draaien rond de 600 graden Celsius.

Die lagere temperatuur kan leiden tot trapsgewijze kostenbesparingen in de ondersteunende technologie die nodig is om een ​​brandstofcel te laten werken, mogelijk duwen van de nieuwe cel naar commerciële levensvatbaarheid. De onderzoekers zijn ervan overtuigd dat ingenieurs met redelijke inspanning elektrische energie-eenheden rond deze brandstofcel kunnen ontwerpen, iets dat eerdere methaanbrandstofcellen is ontgaan.

'Sensatie in onze wereld'

"Onze cel zou kunnen zorgen voor een rechttoe rechtaan, robuust totaalsysteem dat goedkoop roestvrij staal gebruikt om interconnectoren te maken, " zei Meilin Liu, die de studie leidde en een Regents' Professor is aan de Georgia Tech's School of Material Science and Engineering. Interconnectors zijn onderdelen die helpen bij het samenbrengen van veel brandstofcellen in een stapel, of functionele eenheid.

"Boven 750 graden Celsius, geen metaal zou de temperatuur weerstaan ​​zonder oxidatie, dus je zou veel moeite hebben om aan materialen te komen, en ze zouden extreem duur en kwetsbaar zijn, en de cel besmetten, ' zei Liu.

"Het verlagen van de temperatuur tot 500 graden Celsius is een sensatie in onze wereld. Zeer weinig mensen hebben het zelfs maar geprobeerd, " zei Ben de Glee, een afgestudeerde onderzoeksassistent in Liu's lab en een van de eerste auteurs van de studie. "Als je zo laag bent, het maakt het werk van de ingenieur die de stack en de aangesloten technologieën ontwerpt veel gemakkelijker."

De nieuwe cel elimineert ook de noodzaak van een belangrijk hulpapparaat, een stoomreformer genaamd, die normaal gesproken nodig is om methaan en water om te zetten in waterstofbrandstof.

Liu, deGlee, co-eerste auteur Yu Chen, die een postdoctoraal onderzoeker is in Liu's lab, en co-eerste auteur Yu Tang van de Universiteit van Kansas publiceerden de resultaten van hun onderzoek op 29 oktober, 2018. Hun werk werd gefinancierd door het Office of Basic Energy Sciences en het Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), beide bij het Amerikaanse ministerie van Energie. Het werd ook gefinancierd door de afdeling Chemie van de National Science Foundation.

'Gedistribueerde generatie'

Het onderzoek was gebaseerd op een type brandstofcel met een groot potentieel voor commerciële levensvatbaarheid, de vaste oxide brandstofcel (SOFC). SOFC's staan ​​bekend om hun veelzijdigheid in brandstoffen die ze kunnen gebruiken.

Als het op de markt komt, hoewel de nieuwe cel misschien een tijdje geen auto's van stroom zal voorzien, het zou eerder in kelders kunnen landen als onderdeel van een meer gedecentraliseerd, schoner, goedkoper elektriciteitsnet. De brandstofcelstapel zelf zou ongeveer zo groot zijn als een schoenendoos, plus ondersteunende technologie om het te laten werken.

"De hoop is dat je dit apparaat zou kunnen installeren als een tankloze boiler. Het zou op aardgas lopen om je huis van stroom te voorzien, "Zei Liu. "Dat zou de samenleving en de industrie de enorme kosten besparen van nieuwe elektriciteitscentrales en grote uitbreidingen van het elektriciteitsnet."

"Het zou huizen en bedrijven meer machtsonafhankelijk maken, " zei Liu. "Dat soort systeem zou gedistribueerde generatie worden genoemd, en onze sponsors willen dat ontwikkelen."

Zelfgemaakte waterstof

Waterstof is de beste brandstof voor het aandrijven van brandstofcellen, maar de kosten zijn exorbitant. De onderzoekers kwamen erachter hoe ze methaan in de brandstofcel zelf kunnen omzetten in waterstof via de nieuwe katalysator, die is gemaakt met cerium, nikkel en ruthenium en heeft de chemische formule Ce0.9Ni0.05Ru0.05O2, afgekort CNR.

Wanneer methaan- en watermoleculen in contact komen met de katalysator en warmte, nikkel klieft chemisch het methaanmolecuul. Ruthenium doet hetzelfde met water. De resulterende delen komen weer bij elkaar als die zeer wenselijke waterstof (H2) en koolmonoxide (CO), waar de onderzoekers verrassend goed gebruik van maakten.

"CO veroorzaakt prestatieproblemen in de meeste brandstofcellen, maar hier, we gebruiken het als brandstof, ' zei Chen.

Elektriciteit maken

H2 en CO gaan verder naar verdere katalysatorlagen die de anode vormen, het deel van de brandstofcel dat elektronen aftrekt, waardoor de koolmonoxide en waterstof positief geladen ionen. De elektronen reizen via een draad - waardoor de elektriciteitsstroom ontstaat - naar de kathode.

Daar, zuurstof, die erg veel elektronen verbruikt, zuigt de elektronen op, het elektrische circuit sluiten en O2-ionen worden. Geïoniseerde waterstof en zuurstof ontmoeten elkaar en verlaten het systeem als watercondensatie; de koolmonoxide- en zuurstofionen ontmoeten elkaar om zuivere kooldioxide te worden, die gevangen konden worden.

Voor de opgewekte energie brandstofceltechnologie creëert verre, veel minder koolstofdioxide dan verbrandingsmotoren.

In sommige brandstofcellen het water in de eerste reacties moet van buitenaf worden ingevoerd. In deze nieuwe brandstofcel het wordt aangevuld in de laatste reactiefase, dat water vormt dat terugfietst om te reageren met het methaan.

Katalysatoren convergeren

De nieuwe katalysator CNR, vervaardigd door onderzoeksmedewerkers aan de Universiteit van Kansas, is de buitenste laag van de anodezijde van de cel en fungeert ook als een beschermer tegen verval, verlenging van de levensduur van de cel. CNR heeft sterke cohortkatalysatoren in binnenlagen en aan de andere kant van de cel, de kathode.

Aan het kathode-uiteinde, de reactie van zuurstof en de beweging door het systeem zijn gewoonlijk notoir traag, maar Liu's lab heeft het onlangs versneld om de elektriciteitsoutput te verhogen door gebruik te maken van zogenaamde nanovezelkathodes, die Liu's lab in een eerdere studie heeft ontwikkeld. (Zie eerdere studie:een op maat gemaakte dubbele perovskiet-nanovezelkatalysator maakt ultrasnelle zuurstofontwikkeling mogelijk.)

"De structuren van deze verschillende katalysatoren, evenals de nanovezelkathoden, alles bij elkaar stelde ons in staat om de bedrijfstemperatuur te verlagen, ' zei Chen.