甲烷燃料电池 甲烷燃料电池四种环境方程式

燃料电池的实用性和经济性虽然长期未被广泛关注，但最新的研究成果或许将改变这一现状。

最近，科学家们开发出了一种全新的燃料电池技术，该技术采用了价格更低的燃料，并在与汽车发动机类似的温度下运行，从而显著降低了材料成本。虽然这款电池仍处于实验室阶段，但其潜力已经引起了广泛关注，未来有望为家庭和汽车提供电力。

在《自然能源》(Nature Energy)杂志上，研究人员详细介绍了他们如何利用新型燃料催化剂重塑燃料电池的设计。这种催化剂能够利用廉价的甲烷作为燃料，取代了传统上较为昂贵的氢燃料。

改进后的电池在操作温度上也有了显著下降。传统的甲烷燃料电池通常需要在750至1000摄氏度的高温下工作，而这款新型电池仅需约500摄氏度，甚至低于汽车内燃机的工作温度（约600摄氏度）。这种温度的降低可能会大幅节省电池所需的辅助技术成本，从而为实现商业化提供了新的可能。

研究团队认为，通过合理的工程设计，这种燃料电池有望成为一种稳定高效的电力单元，这在传统甲烷燃料电池中是难以实现的。

创新突破

佐治亚理工学院材料科学与工程学院的教授Meilin Liu，作为这项研究的负责人之一，表示：“我们的新电池能够构建一个简单而可靠的整体系统，使用价格低廉的不锈钢来制造连接器。”这些连接器用于将多个燃料电池组合成一个堆栈或功能单元。

Liu进一步指出：“在高于750摄氏度的温度下，没有任何金属材料能够在不被氧化的情况下保持稳定，这使得材料既昂贵又脆弱，还可能污染电池。”

他补充道：“将温度降低到500摄氏度的程度是一项显著的突破，几乎没有人尝试过这样的做法。”实验室的研究生Bende Glee也表示，这一改进使得工程师在设计堆栈和连接技术时变得更加容易。

值得注意的是，这种新型电池不需要传统燃料电池所需的蒸汽重整器，这种设备通常用于将甲烷和水转化为氢气。

潜在应用

研究人员的工作主要基于固体氧化物燃料电池（SOFC），这种电池因其燃料的多样性而广受关注。如果这款新型电池投入市场，尽管可能暂时不适合用于汽车，但它有望作为一种分散化、清洁且成本更低的电网解决方案，逐步普及到家庭和小型电力系统中。

这种燃料电池堆的体积大约和一个鞋盒差不多，加上必要的配套技术，它可以安装在地下室或其他适合的地方。

Liu希望未来的安装能够像安装无水箱热水器一样简单，电池能够取代天然气为家庭供电。“这将显著降低新建电厂和大规模电网扩建的成本。”

他还提到：“这种系统将使家庭和企业能够实现自给自足发电，我们的赞助商也希望推动这种分布式发电系统的开发。”

成本效益

科学家们发现，这种新型催化剂能够将燃料电池中的甲烷高效转化为氢气。催化剂的化学组成是由铈、镍和钌构成，化学式为Ce

0.9

Ni

0.05

Ru

0.05

，简称CNR。

在与甲烷和水分子接触并加热后，镍会裂解甲烷分子，而钌则对水分子进行类似处理。研究人员惊喜地发现，这两种物质结合生成了理想的氢气（H

）和一氧化碳（CO），并得到了有效利用。

陈教授指出：“在大多数燃料电池中，一氧化碳会导致性能问题，但在我们的系统中，它被用作燃料。”氢气和一氧化碳通过阳极催化剂层，在阳极中产生电流并流向阴极。

在阴极，氧气吸收电子形成O

离子，与氢气和一氧化碳反应生成水和二氧化碳，水以冷凝形式排出系统，而二氧化碳则可以被捕获。

与内燃机相比，这种燃料电池技术产生的二氧化碳排放量显著减少。在一些燃料电池中，反应所需的水通常需要外部引入，而新型燃料电池在最后的反应阶段生成水后，可以循环回到甲烷反应中。

速度与稳定性

这款新型催化剂CNR由堪萨斯大学的研究团队制造，其功能包括保护电池不受腐蚀，延长电池寿命。CNR在电池的内层和阴极端还有强效催化作用。

阴极端的氧气反应和系统中的氧气运动通常较为缓慢，但Liu实验室最近通过开发纳米纤维阴极显著提高了电力输出，之前的研究已证明这种纳米纤维催化剂可以实现更快的氧气生成。

“这些催化剂的结构，以及纳米纤维阴极的应用，使我们能够显著降低操作温度。”陈教授总结道。