《通过使用燃料电池和氢气减少废物排放》

  • 来源专题:可再生能源
  • 编译者: pengh
  • 发布时间:2020-05-18
  • 在美国,很大一部分农业和消费食品最终被扔进了垃圾填埋场。根据美国农业部(U.S. Department of Agriculture)的数据,美国人每年扔掉的食物多达40%,总共约为1,330亿磅。除了经济损失,垃圾还会产生有害的温室气体排放(GHG),其来源多种多样,包括腐烂的食物产生的垃圾排放、多余的运输能源等。世界资源研究所估计,如果粮食损失的是它自己的国家,它将是第三大温室气体排放国,每年44亿吨(约48.5亿吨)。食物并不是唯一的罪魁祸首。所有形式的废物都会随时间分解并产生温室气体。作为回应,研究人员和企业都在寻找减少废物排放和污染的方法,利用废物的衰变产生能量。一种高效和清洁的方式来利用废物收集的能源是通过燃料电池和氢技术。

    废物由富含碳的有机化合物和营养物质组成,可以用来制造像沼气这样的生物燃料。当有机物质分解时,富含甲烷的沼气被释放到大气中。公司通常会通过一个叫做“燃除”的过程来燃烧甲烷沼气,这个过程通过将沼气转化为二氧化碳来减少沼气的影响。但是,这种方法非常浪费。作为回应,一些能源供应商已经开始收集这些废气,并将其用于更高效的用途,包括作为固定燃料电池系统的燃料原料。

    沼气和燃料电池

    几家固定燃料电池公司在他们的产品中使用从各种形式的废物中产生的沼气。在康涅狄格州,FCHEA成员Doosan Fuel Cell America在费尔菲尔德、诺格塔克、沃特伯里和西港等城市的市政污水处理厂安装了燃料电池系统。斗山公司使用磷酸燃料电池,这种电池可以利用从废水中收集的沼气发电。据诺格塔克市长N.沃伦“皮特”赫斯称,这种燃料电池每年为城市节省了300万磅二氧化碳,相当于每年从街道上移除250辆汽车。

    FCHEA成员FuelCell Energy也有在废水处理厂和垃圾填埋场安装燃料电池的可靠记录,最近的一个是在加州Tulare废水处理厂安装2.8兆瓦熔融碳酸盐燃料电池系统。燃料电池将由城市的沼气提供动力,而这些沼气原本是可以燃烧的。

    燃料电池在减少工业化农业排放方面发挥了作用。乳品业的废弃物排放出大量的甲烷。FCHEA成员Bloom Energy正与加州生物能源公司合作,以捕捉牛粪的排放。Bloom公司的策略是捕获甲烷沼气,对其进行净化,并将其用于公司的固体氧化物燃料电池中,这种燃料电池通常使用天然气作为燃料。

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  • 《重型车辆是氢燃料电池使用的理想入口》

    • 来源专题:纳米科技
    • 编译者:郭文姣
    • 发布时间:2021-04-25
    • 橡树岭国家实验室纳相材料科学中心于2021年4月23日发布关于重型汽车(HDV)的无排放氢燃料电池技术商业化的内容,文章指出作为一种可行的替代汽油内燃机,氢燃料电池可以提供可持续的、清洁的能源,并具有类似的用户体验。 “氢技术在HDV市场的应用可能被证明是推动广泛应用的突破,”ORNL的David Cullen说,他是纳米材料科学中心的一名科学家,使用先进的显微镜和光谱学研究燃料电池催化剂和电极结构。“氢燃料电池是卡车行业的理想选择,因为它的加油时间和行驶里程与汽油卡车不相上下,而且行驶路线可以预测,这降低了发展燃料基础设施的障碍。” 氢燃料电池比锂电池或柴油燃料含有更多的单位质量能量。一辆卡车可以在不显著增加重量的情况下拥有更高的可用能量——这是长途卡车的一个重要考虑因素,因为它们有重量惩罚政策。 2020年10月,美国能源部氢和燃料电池技术办公室(简称HFTO)成立了百万英里燃料电池卡车联盟(简称M2FCT),通过研发支持燃料电池在HDV市场的应用机会,并与能源部在H2@Scale上的愿景一致,即在经济的多个部门中使用清洁和负担得起的氢。M2FCT由五个国家实验室组成,致力于满足卡车运输行业对效率、耐久性和成本的要求。HFTO在五年内为该团队提供了5000万美元的资金,该团队设定了一个2030年的目标,即为长途卡车演示2.5万小时(或100万英里)的系统。 “向氢燃料电池重型汽车过渡将对减少温室气体排放产生重大影响,”劳伦斯伯克利国家实验室的科学家Ahmet Kusoglu说。Kusoglu指出,重型车辆只占美国车辆总数的一小部分,每年行驶里程仅占总行驶里程的10%。但根据美国环境保护署(Environmental Protection Agency)的数据,它们占交通运输温室气体排放的23%,占美国每年燃料消耗的近四分之一 M2FCT团队在《自然能源》杂志最近的一篇评论文章中概述了该技术的现状和未来,并解决了重型汽车行业(包括卡车、公共汽车、火车和海洋应用)大规模采用该技术所面临的挑战。M2FCT的协调官员Cullen是论文的第一作者;合著者包括来自劳伦斯伯克利国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、国家可再生能源实验室和阿贡国家实验室的Karren More和M2FCT成员科学家。 Cullen说:“这个联盟有四个支柱:材料开发、组件集成、组件和燃料电池耐久性以及系统分析。”但它们相互交织,相互依存。ORNL正在通过我们的特性描述工作在所有这些领域工作。” 莫尔是美国国家实验室纳米材料科学中心的负责人,该中心是美国能源部科学办公室的用户设施,他说,ORNL将运用其在燃料电池材料和组件微观结构和微观化学分析方面的独特能力和专业知识,从宏观到原子水平更好地理解燃料电池性能和耐久性问题。 她说:“我们将继续开发新的表征方法和数据分析方法,以深入了解燃料电池材料在重型应用中的行为。”“ORNL提供了创新的方法来询问材料的结构、化学和性能,这样性能和耐久性问题可以被理解和解决,以开发具有优化性能的新材料。” ORNL还将提供卷对卷制造专业知识,这将与NREL密切协调,以确定如何扩大膜电极组装的制造过程。Cullen说,该团队将专注于开发新的电极结构,这种电极结构可以通过滚对滚的工艺来实现,而不是传统的喷涂或油墨沉积工艺。 M2FCT代表了燃料电池性能和耐久性联盟(FC-PAD)的结论之后的方向转变,该联盟专注于轻型汽车的燃料电池。 2019年底,美国能源部的高氢燃料技术办公室(HFTO)与汽车技术办公室(Vehicle Technologies Office)合作,发布了氢燃料长途牵引车拖车(也称为8级长途卡车)的技术目标。这些目标是M2FCT研究人员目前通过指导早期研发工作而开展的工作。M2FCT最近发布的这项研究以8级长途卡车为例,展示了不同的设计特征对效率和耐久性的影响,以及如何利用轻型汽车的改进来满足重型汽车的需求。 氢燃料电池通过氢和氧之间的电化学反应来发电,然后结合产生电、热和水。一个燃料电池可以产生大约300瓦的电力;为了产生足够的能量来驱动汽车的电动机,燃料电池需要被组合成一个燃料电池组。 为了满足美国能源部对氢燃料长途拖拉机拖车的目标,M2FCT的研究人员已经确定了轻型车辆和重型车辆设计氢燃料电池的关键区别。美国国家实验室的化学家黛博拉•迈尔斯(Deborah Myers)表示,“与轻型汽车相比,重型汽车需要更高的电池电压才能达到最佳效率,而且所需寿命要长3 - 5倍,这对燃料电池材料的性能和耐久性提出了更高的要求。”解决方案包括材料研究,探索现有燃料电池组件材料如何在不同的温度和湿度以及更高的电池电压下运行和降解,以及研究如何整合新材料来应对这些挑战。 M2FCT联盟汇集了与燃料电池效率和耐久性相关的不同领域的专业知识,并与工业开发商进行沟通。虽然该团队最初的研究重点是氢燃料的长途拖拉机拖车,但M2FCT的研究人员也对氢燃料电池在其他更苛刻的重型应用领域的应用前景表示乐观,包括火车、海事甚至航空。 氢是一种多功能的能量载体,它被封装在H2@Scale概念中。你可以把能量储存在氢键中,这对于长期或季节性的能量储存是特别重要的。你可以在卡车或工业部门使用它,但你也可以把它转换成电力,投入电网,”卡伦说。“我们看到,人们对氢气作为能源载体的兴趣越来越大,而不仅仅是用于汽车。”
  • 《这张膜将改变燃料电池》

    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:husisi
    • 发布时间:2020-03-18
    • 近日,张生与英国曼彻斯特大学诺贝尔物理学奖得主安德烈·海姆爵士等人合作,证实了石墨烯、氮化硼等二维材料具有质子传导性,并进一步发现,把自然界中广泛存在的云母用于燃料电池的高温质子交换膜,比目前商用膜性能更优、更节能环保。这两项研究成果分别发表在世界顶级学术期刊《自然·纳米》与《自然·通讯》上。 自小与“电”结下不解之缘 “我从本科到博士一直读的都是电化学专业,回想起来,我从小就对电特别好奇。”回忆起和电化学结缘,张生娓娓道来。中学时,张生最喜欢的化学实验就是拆开收音机用过的旧电池,把二氧化锰和锌做的电极插入碱性溶液中,就会产生电,让小灯泡亮起来。“现在想来,干电池就是最简单的电化学原理的应用,即将化学能转化为电能,专业术语叫作‘原电池’。” 2005年读研究生时,张生第一次接触到了燃料电池,自此一干就是十几年。“燃料电池是一种很棒的清洁能源技术,不受热力学循环限制,能量转换效率极高,而且燃料电池发电过程的产物只有水,没有碳排放,非常环保。”张生感慨地说,“但当时我国燃料电池研究才刚起步,研发出来的燃料电池成本高,很难实现商业化。” 张生读博士的时候,主要的研究方向就是降低燃料电池成本。他和所在的团队通过碳改性,增加廉价金属用量,达到了和用昂贵的铂金催化剂做电极一样的效果,电极成本极大降低。 在燃料电池中,质子传导性能对于燃料电池能量转化效率非常关键。“当时只有全氟磺酸膜,技术垄断价格高而且不耐高温。燃料电池需要的质子传导膜既要非常薄,还要像一张‘网’一样,孔洞大小只能让质子快速通过且能阻挡反应物氢气的渗透。但当时由于我的知识局限性,还不足以攻克这个难题。”张生解释道。 带着这个遗憾,张生去了美国进行博士后研究,主攻方向是温室二氧化碳的电化学转化利用。在国外学习工作期间,他接触到了更多的材料学、化学、物理等方面的知识,这些新知识拓展了他的视野,但寻找性能更优良的质子传导膜这个难题始终让他念念不忘。 破解提升燃料电池性能难题 张生的执着让他的人生轨迹再次与燃料电池产生交集,优异的研究成果使张生获得欧盟杰出人才计划资助,到英国曼彻斯特大学工作,专心进行质子交换膜的难题研究。 “寻找能够做‘网’的二维材料这件事,说起来容易,但研究过程也是一波三折。”张生说,根据各种文献和之前的研究,他们找到了石墨烯这种二维材料,本以为找到了一张合适的“网”,但事实证明,这条路才刚刚开始。石墨烯材料是由碳的六元环结构组成的,十分不稳定,需要以铜片为基底才能稳定成石墨烯膜。但是铜不能让质子通过,因此还需要把稳定的石墨烯从铜片上转移下来。 “整整半年时间,我们实验了热压、冷压等二十多种方法,但由于界面作用没那么强,转移过程中石墨烯膜都破损严重。”回忆起当时的情形,张生至今难忘,“我当时的心情,和曼彻斯特的冬天一样,见不到阳光。”通过总结失败的方案,张生调整思路,最终找到一种胶增加了界面强度,实现了石墨烯膜的完美转移。 然而石墨烯膜并没有解决耐高温的问题,回国后,张生又找到和石墨烯结构相近一些材料,但都存在各种问题。直到云母材料的出现,让张生如获至宝。“云母在地壳中储量极其丰富且价格低廉,使用云母制备的云母质子膜可以满足各种条件,而且使用温度可以从100℃延伸到500℃。”张生介绍说,云母膜质子传导率超过了目前商业化要求的两倍,应用于燃料电池后,未来电动汽车的行驶里程将会有很大提高。 “我们发展燃料电池这一清洁能源技术的初衷之一是减少碳排放,而更好地减少碳排放的办法是把二氧化碳变废为宝。”依托天津大学化学学院绿色合成与转化教育部重点实验室,张生通过反向利用燃料电池的能量转化原理,通过电能打开二氧化碳的碳氧分子键,加入氢将二氧化碳有选择性地转化为甲酸、乙烯和乙醇等有用的物质。 “虽然这项研究难度很大,但是做科研需要迎难而上的精神,我相信通过努力,我们的团队一定能开发出通过电化学途径转化二氧化碳这样一种清洁能源技术。”面对未来,张生充满信心。