硫在高温燃料电池的运行中使乎是一个挥之不去问题,使电能供应受到严重的制约。现在,塔夫兹大学的研究人员或许已找到解决问题的答案——
图为由西门子公司制造的固体氧化物燃料电池已为荷兰的一个电力系统供电。它工作了20000小时以上,是目前世界上运行时间最长的高温燃料电池。
高温燃料电池能为城市提供足量清洁、高效的电力,甚至能为城市提供足够的电力。到目前为止,由于其成本太大而不能被广泛使用。一个主要问题就是化石燃料,诸如煤、石油和天然气中含有的硫,之使维持燃料电池运行的氢气受到污染,以及硫腐蚀电池中称作阳极的部分,使其产能减少——最终导致电池停止工作。
现在,塔夫兹大学由玛利亚 · F · 史蒂芬诺普罗斯(Maria F. Stephanopoulos)担纲的化学工程师们,已经找到了一种在氢源上(供应电力之前)将硫不断除去的方法,这项研究在高温燃料电池变得经济实用方面迈出了意义深远的一步。
例如,低温燃料电池已经在便携式电脑和公共汽车上一展身手,但这些燃料电池产生的电力相对较少。与此形成鲜明对比的是,高温固体氧化物燃料电池却能产生足够的电力供应城市;而且它们的热能还可作其他用途:为建筑物供暖或发动汽轮机以产生更多的电力。
明尼苏达大学化学工程和材料科学教授兰尼 · 施米特(Lanny Schmidt)说,许多操作性问题使得大功率的燃料电池迟迟不能走向市场,这些问题包括启动时间过长、部分构件在高温下失效等。而硫是“主要问题之一”。施米特预测:在今后几年里研究人员们将会攻克这些困难。如果能成功的话,固体氧化物燃料电池“会成为燃料电池的首选”。他接着说,史蒂芬诺普罗斯掌握一种“富有创意的、巧妙的除硫方法”。
对于低温燃料电池(如质子交换膜燃料电池),工程师们在解决硫的问题方面已有了一系列的处理方法:通过对液态燃料进行精炼,他们除掉了化石燃料中大部分的硫,然后使用了重整炉和被称做“吸附剂”的新材料。在重整炉里,化石燃料与空气和水一起加热以产生一种富含氢的气体。随后吸附剂吸收了硫化氢,使作为燃料电池的气体中不含硫。但一般的吸附剂(氧化锌),在工作温度为600~1000摄氏度的高温燃料电池内会慢慢降解。
目前,史蒂芬诺普罗斯研究小组设计了一套专门用于高温燃料电池的吸附剂系统。这个系统在高温时能吸附硫化氢的稀土氧化物,这样,气体不需要通过厚厚的吸附剂垫层过滤,而直接通过一层薄薄的吸附剂的表面。史蒂芬诺普罗斯把这种新设计称作一种可“简便”解决硫的问题的方法。
稀土氧化物价格低廉且易得。这个系统可以以两个小盒子的形式用于高温燃料电池——一个放入新鲜的吸附剂,另一个用于已经用过的吸附剂。燃料电池产生的无硫气体会净化使用过的吸附剂,使吸附剂可以使用多次。“你用不着活塞和泵”,史蒂芬诺普罗斯说道,因为系统内的所有气体都是自由扩散的。她还说,这种吸附剂的性能甚至比用于低温燃料电池的吸附剂更好。
史蒂芬诺普罗斯小组的研究是由美国陆军研究实验室资助的,他们想将高温燃料电池作为坦克和卡车的备用能源。因为这些车辆所使用的燃料富含硫,他们需要更有效的吸附剂。