酷新材料可以使燃料电池更便宜

新的替代能源技术的运作还不够。 它还必须足够便宜,以与传统的化石燃料竞争。 对于称为固体氧化物燃料电池(SOFC)的设备来说,这是一个很大的障碍,它将燃料(如甲烷和氢气)直接转化为电能而不会燃烧它们。 但现在研究人员报告说,他们已经提出了一种新方法,可以更便宜地在一种SOFC中制造关键部件,这可能会大幅降低其总体成本。

“这是一次出色的技术演示,”伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的材料科学家和燃料电池专家Sossina Haile表示,他没有参与这项工作。 “我认为这会引起很多兴奋。”

燃料电池的工作方式与电池非常相似。 在其中,两个电极被电荷传导电解质隔开。 在SOFC的情况下,电解质由固体陶瓷膜组成。 在典型的设置中,空气被馈送到带负电的电极或阴极,其中氧分子吸收额外的电子。 然后,这些氧离子穿过膜到达带正电的阳极。 在那里,它们与燃料中的分子反应,产生水,二氧化碳和电。 电力通过一个电路供电,为我们的设备供电,然后返回阳极。 由于输入的燃料很长,SOFC继续输出电力。

SOFC具有一些有前途的能力。 这些设备的发电效率可与大型天然气发电厂相媲美。 但是,虽然发电厂规模巨大,建造成本高达数亿美元,但SOFC可以制成任何尺寸。 这使它们成为医院和制造工厂的备用电源,以及生产未连接到电网的分布式电源系统。

但SOFC也有其缺点。 在传统的导氧SOFC中,膜由称为氧化钇稳定的氧化锆或YSZ的陶瓷制成,并且电池在800℃至1000℃下最有效地操作。 这意味着它们必须使用耐热材料制成,这使得它们对于大多数应用来说太昂贵。 近年来,研究人员开始探索由陶瓷制成的替代膜,称为钇掺杂的锆酸钡(BZY)。 这些设备最适合将氢气和氧气转化为水和电,甚至可以在600°C左右的较低温度下工作。 与传统的SOFC不同,BZY膜允许不带负电荷的氧离子流向阳极,而带正电荷的氢离子以相反的方式流向阴极。 但它们从未与导氧SOFC的功率输出相匹配。

现在,Golden的科罗拉多矿业学院的材料科学家Ryan O'Hayre和他的同事已经找到了一种提高BZY燃料电池功率的方法。 研究人员怀疑BZY膜的一个问题就在于它们的生产方式。 混合不同的陶瓷组件通常需要将它们加热到高达1700℃的温度。 但是在极端温度下,钡蒸发成气体,这使得在整个陶瓷中均匀混合钡变得更加困难。 O'Hayre和他的同事最近帮助开创了另一种称为固态反应烧结的混合方案,该方案降低了混合温度。 而现在他们发现,在他们的陶瓷混合物中加入微量的O'Hayre称之为“神奇的小精灵粉尘” - 实际上是氧化铜和氧化镍 - 使他们能够将温度降低到1450°C,低于钡蒸发的阈值。 这反过来又导致更均匀的BZY混合物并改善其器件的性能。

研究人员在最新一期“ 科学”杂志上报道,这一变化 。 不仅如此,新细胞也与氧离子传导细胞的输出相匹配。 更重要的是,新的BZY电池在大约500°C(燃料电池行业所针对的最佳点温度)下工作效果最佳。

O'Hayre和Haile警告称,新的进展不会在一夜之间彻底改变SOFC行业。 到目前为止,O'Hayre的小组只生产了单个细胞。 相比之下,商用设备通过将许多这样的设备连接在一起形成所谓的燃料电池“堆叠”来产生更多的电力。 如果未来基于BZY的SOFC堆栈与单个设备一样有效,那么它最终可以产生燃料电池行业一直在寻找的临界点。