研究人員采用的微通道設(shè)計(jì)工藝
日前，美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出一種高效率的小規(guī)模固體氧化物燃料電池，能源轉(zhuǎn)化效率可達(dá)57%，其試驗(yàn)系統(tǒng)可產(chǎn)生2千瓦的電力，非常適合家庭使用。加之其高效環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，有望讓每家都擁有一個(gè)“發(fā)電站”成為現(xiàn)實(shí)。
著眼于小放眼于大
固體氧化物燃料電池是一種很有前途的技術(shù)，能夠提供清潔高效的能源。到目前為止，大多數(shù)人都將注意力集中在能產(chǎn)生1兆瓦或更多電力的、可取代傳統(tǒng)發(fā)電站的較大系統(tǒng)的研究上，以期產(chǎn)生突破性的成果。為何西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家非要?jiǎng)ψ咂h，將注意力集中在小系統(tǒng)的研發(fā)上呢?
該實(shí)驗(yàn)室固體氧化物燃料電池項(xiàng)目首席工程師文森特·斯普瑞克解釋說：“因?yàn)樾∠到y(tǒng)也有優(yōu)勢(shì)，有時(shí)候甚至還能勝過大系統(tǒng)。”家庭和社區(qū)用戶就是這樣一個(gè)實(shí)例：如果安置大型系統(tǒng)，其產(chǎn)生的電力將超過附近地區(qū)的耗電量，如此一來就必須通過輸電線路將其輸送到其他地方。而這一過程必然會(huì)造成一些電力的損耗。另一方面，小系統(tǒng)更加輕便靈活，安裝位置可以更靠近用戶，輸送成本和損耗會(huì)更低，如果需要的話還能將其集成起來形成更大的系統(tǒng)。
為此，科學(xué)家們提出了一個(gè)設(shè)想，這個(gè)小型發(fā)電系統(tǒng)既要在效率上超過50%，又要在需要時(shí)能夠輕松擴(kuò)展進(jìn)行分布式發(fā)電。
兩項(xiàng)創(chuàng)新解難題
固體氧化物燃料電池由陶瓷材料制成，分為正極、負(fù)極和電解液三個(gè)層次。工作時(shí)，經(jīng)過壓縮的空氣預(yù)熱后首先被泵入作為負(fù)極的外層，空氣中的氧氣會(huì)變成帶負(fù)電荷的超氧陰離子。而后負(fù)極和內(nèi)部的電解質(zhì)層相接，氧離子穿過電解液達(dá)到正極層，在那里氧離子與燃料發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電及副產(chǎn)品蒸汽和二氧化碳。
但此前的方法是讓蒸汽直接暴露于燃料電池之中，這會(huì)導(dǎo)致燃料電池中的陶瓷層受熱不均甚至損壞。新研究中，科學(xué)家們采用了一種微通道技術(shù)，讓蒸汽從外部完成和燃料電池的初步反應(yīng)，不但減少了電池的損壞，還增加了反應(yīng)的表面積，提高了反應(yīng)效率。通過該技術(shù)，反應(yīng)過程中的余熱和廢氣也能重新得到利用，又進(jìn)一步減少了燃料的消耗。
實(shí)驗(yàn)顯示，經(jīng)過優(yōu)化后的系統(tǒng)在2.2千瓦時(shí)、1.7千瓦時(shí)的效率分別可以達(dá)到48.2%和56.6%。研究小組預(yù)計(jì)，只需再進(jìn)行幾個(gè)小的調(diào)整，他們還能將系統(tǒng)效能提高到60%。這不但高于內(nèi)燃機(jī)15%的效率，也遠(yuǎn)高于同等體積的其他燃料電池30%到50%的效率。他們制造的單個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)已能產(chǎn)生2千瓦的電力，這與一個(gè)典型的美國(guó)家庭的耗電量大體相當(dāng)。經(jīng)過擴(kuò)展后，該系統(tǒng)還能升級(jí)到100千瓦至250千瓦之間，能夠滿足50個(gè)至100個(gè)美國(guó)家庭的用電需求。
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