效率更高，壽命更長的固態氧化物燃料電池
由EPFL應用機械設計實驗室（LAMD）開發的廢氣再循環風機。圖片：EPFL
固態氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，簡稱：SOFC）是一種電化學轉換設備，將燃料轉換為電能。燃料電池的特徵在於它們的電解質材料；固態氧化物燃料電池具有固態氧化物或陶瓷電解質。此類燃料電池的優點包括高效率，長期穩定性，燃料適應性多元，低排放，並且成本相對較低。最大的缺點是高溫的操作溫度導致更長的啟動時間以及機械和化學相容性的問題。
儘管在像日本這樣的國家使用率很高，但SOFC尚未在歐洲流行，這不僅是因為高昂的生產成本構成了大規模生產電池的障礙。但是，EPFL團隊的最新研究可能會改變遊戲規則。
家用燃料電池系統
應用機械設計實驗室（LAMD），位於瑞士納沙泰爾，已設計出完善的SOFC，一種高效新穎的燃料電池，額定功率達到6KW（千瓦）。蒸汽渦輪驅動的風扇使氣體循環通過系統，也可以延長電池壽命。這個合作項目涉及三個合作夥伴：LAMD，位於錫永的EPFL Valais Wallis園區，由Jan Van Herle領導的GEM，以及位於Yverdon-les-Bains的SOLID power SA。詳細研究的論文已經發表在《應用能源》雜誌上。
氣體再循環
研究人員使用一種稱為陽極廢氣再循環風扇的新型系統實現了效率和使用壽命的提高。在正常情況下，SOFC轉換約80-85％的輸入燃料，而這些燃料僅通過電池一次。通過將出口連接到入口，該團隊能夠第二次使氣體循環通過電池。該論文的主要作者派屈克·華格納（Patrick Wagner）說：「由於SOFC的工作溫度超過600°C，再循環風扇會提高出口氣體的壓力，使其達到與電池內部壓力相適應的水平。」
使用新系統，該團隊發現效率提升高達10％。LAMD負責人於爾格·希夫曼（Jürg Schiffmann）說：「當我們將風扇與一些額定功率或4.5KW的家用燃料電池耦合時，我們的總效率達到了66％。」 相比之下，最先進的發電廠在不產生可回收熱量的情況下可達到63％的效率。此外，這些發電廠的發電容量需要達到數百兆瓦特（MW）。在瑞士，約有6％的能源在電網饋入和撤出之間損失。
EPFL開發的帶有蒸汽潤滑軸承的軸。圖片：EPFL 2020
除了提高效率外，風扇系統還延長了電池壽命，因為再循環的氣體混合物提高了催化劑的穩定性。
耐磨，自給自足
氣體再循環本身可能並不是一個新概念，但該團隊的設計標誌著與以前的系統完全不同。該風扇配有LAMD開發的蒸汽潤滑軸承，並由微型蒸汽輪機驅動，該微型蒸汽輪機利用電池產生的熱量運行。
研究人員選擇了蒸汽潤滑軸承，以避免汙染的風險。華格納說：「像幾乎所有的催化裝置一樣，SOFC極其精緻。如果油或其他潤滑劑進入內部，可能會造成真正的問題。蒸汽潤滑軸承是不需要任何油的機械零件。系統的旋轉部分位於軸產生的空氣墊上，有另一個系統的一部分旋轉時產生。」 這種設計還有另一個好處：除了在啟動和關閉期間外，所有零件都不會相互接觸，這意味著它們不會磨損。
該團隊之所以使用蒸汽輪機，是因為SOFC出口氣體的殘餘燃料中含有氫和其他潛在的爆炸性化合物。華格納補充說：「我們的再循環風扇完全由機械零件製成，因此絕對沒有安全隱患。如果我們使用電動機，情況就不會如此。」 34瓦渦輪機非常適合家用SOFC。直徑僅為15毫米，是世界上最小的蒸汽輪機之一。