固體碳新燃料電池技術

根據愛達荷州國家實驗室研究人員發表的一篇新文章，由固體碳驅動的燃料電池技術的進步可以使煤炭和生物質等資源的發電更加高效。

燃料電池設計融合了三個組件的創新：陽極，電解質和燃料。 總的來說，這些進步使得燃料電池可以使用比早期的直接碳燃料電池（DCFC）設計大約三倍的碳。

據INL材料工程師董丁介紹，燃料電池在較低的溫度下運行，並且比以前的DCFC具有更高的最大功率密度。 在本周的「高級材料」雜誌上可以看到結果。

不同於氫燃料電池（例如質子交換膜（PEM）和其他燃料電池）通過純氫和氧氣之間的化學反應產生電力，DCFC可以使用任何數量的碳基資源用於燃料，包括煤，焦炭，焦油， 生物質和有機廢物。

由於DCFC使用容易獲得的燃料，它們比傳統的氫燃料電池更有效率。 「你可以跳過氫能的高耗能步驟，」丁說。

但是早期的DCFC設計有幾個缺點：它們需要高溫（700至900攝氏度），這使得它們效率較低且較不耐用。 此外，它們通常需要較昂貴材料構成來對付熱量。

而且，早期的DCFC設計不能有效地利用碳燃料。

丁和他的同事們通過設計一種真正的直接碳燃料電池解決了這些挑戰，它能夠在低於600攝氏度的低溫下工作。 燃料電池利用固體碳，經過精細研磨並通過氣流注入電池。 研究人員通過使用高導電性材料摻雜的氧化鈰和碳酸鹽來開發電解質來解決對高溫的要求。 這些材料在較低溫度下保持其性能。

接下來，他們通過開發一種三維陶瓷紡織陽極設計來提高碳利用率，將纖維束像一塊布一樣交織在一起。 纖維本身是中空的和多孔的。 所有這些特徵結合起來使與碳燃料發生化學反應可用的表面積最大化。

最後，研究人員開發了一種由固體碳和碳酸鹽製成的複合燃料。 Ding說：「在工作溫度下，複合材料是流體狀的。 「它可以很容易地流入界面。」熔融碳酸鹽將固體碳帶入中空纖維和陽極的針孔，增加了燃料電池的功率密度。

由此產生的燃料電池看起來像一塊綠色的陶瓷手錶電池，厚度和一張施工紙一樣厚。 一個更大的面積是每邊10厘米。 根據應用，燃料電池可以堆疊在另一個之上。

該技術具有改善煤炭和生物質等碳燃料利用的潛力，因為直接碳燃料電池產生二氧化碳而不會混入其他氣體和來自燃煤發電廠煙霧中的微粒。 Ding說，這使得更容易實施碳捕集技術。

先進的DCFC設計已經引起業界的關注。 丁和他的同事正在與鹽湖城的Storagenergy公司合作申請能源部小型企業創新研究（SBIR） - 小型企業技術轉讓（STTR）的資金機會。 結果將於2018年2月公布。一家加拿大能源相關公司也對這些DCFC技術表示出興趣。