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研究人員改進(jìn)的燃料電池技術(shù)得到新的突破

姚小熊27 ? 來源:蓋世汽車 ? 作者:蓋世汽車 ? 2020-11-30 10:09 ? 次閱讀

據(jù)外媒報(bào)道,美國加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)、加州理工學(xué)院(Caltech)和福特汽車公司的一組研究人員改進(jìn)了燃料電池技術(shù),而且讓該技術(shù)在效率、穩(wěn)定性和功率方面都超過了美國能源部(DOE)設(shè)定的目標(biāo),而且目前還沒有其他燃料電池同時在此類方面達(dá)到同樣的里程碑。

該項(xiàng)最新突破可能實(shí)現(xiàn)一種新型可再生能源,能夠在白天利用太陽能將水(H2O)變成氫氣,在晚上又能夠?qū)錃庾兓貫樗?,同時還能夠提供電力。

研究人員表示,此次在性能上取得重大進(jìn)展可能會為汽車和其他車輛引入一種廉價而實(shí)用的零排放能源技術(shù),只會向大氣中排放水。該研究關(guān)注于微調(diào)微觀表面的細(xì)節(jié),即發(fā)生化學(xué)反應(yīng)提供能量的地方的細(xì)節(jié)。

與電池類似,燃料電池也能夠存儲能量。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)能夠從空氣中存儲的氫氣和氧氣的化學(xué)反應(yīng)中獲取能量。此類氣體能夠在燃料電池內(nèi)部結(jié)合,以提供電能,同時只排放水,不排放二氧化碳,因而使其非常環(huán)保。該項(xiàng)PEMFC技術(shù)有望成為汽車內(nèi)燃機(jī)的清潔替代品,而內(nèi)燃機(jī)會排放溫室氣體和污染物。

不過,在該項(xiàng)燃料電池技術(shù)得以廣泛采用之前,還需要克服幾個障礙。其中一個主要的問題是,將氧氣還原成水的化學(xué)反應(yīng)非常緩慢,需要大量且昂貴的鉑來啟動和維持這個反應(yīng)。此外,雖然產(chǎn)生的水蒸氣遠(yuǎn)好于碳排放,但是水蒸氣的出現(xiàn)會讓反應(yīng)停止,因此必須迅速將水蒸氣轉(zhuǎn)移,以讓化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。

在加州大學(xué)洛杉磯分校Samueli工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系Yu Huang教授的帶領(lǐng)下,該團(tuán)隊(duì)克服了幾個主要障礙,滿足了DOE的要求。首先,該團(tuán)隊(duì)極大地加速了化學(xué)反應(yīng),大大減少了對昂貴鉑的需求量。此外,研究人員還發(fā)現(xiàn)了一種快速排出反應(yīng)區(qū)多余水分的方法。

該研究的第一作者、Huang教授團(tuán)隊(duì)的博士后Zipeng Zhao表示,關(guān)鍵在于從納米尺度塑造碳載體的表面細(xì)節(jié),讓流入的氧氣與流出的副產(chǎn)物水擁有完美的比例,從而最大限度地提高化學(xué)反應(yīng)速率。

黃教授是加州大學(xué)洛杉磯分校納米系統(tǒng)研究所的成員,領(lǐng)導(dǎo)了燃料電池改進(jìn)研究多年,其中包括改變?nèi)剂想姵氐男螤钜源蠓鶞p少催化反應(yīng)所需的鉑量,以及創(chuàng)造出新型納米結(jié)構(gòu),以提升燃料電池的效率。

黃教授最近的研究則是從零開始的工作,專注于微調(diào)碳支撐結(jié)構(gòu)的表面,即化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的地方。雖然鉑本身會催化反應(yīng),但與周圍的碳相比,只占十分之一的空間,這也意味著在大多數(shù)時候,氫氣、氧氣以及由此產(chǎn)生的水蒸氣都在碳表面附近。

黃教授表示:“該項(xiàng)研究最具挑戰(zhàn)性的部分就是,我們需要有一個堅(jiān)實(shí)又可靠的基準(zhǔn)來衡量我們的研究進(jìn)展。我們花了近兩年的時間研發(fā)了一套可重復(fù)采用的工程技術(shù)以及優(yōu)化協(xié)議,以制備燃料電池,這也使我們能夠從科學(xué)的角度研究催化劑層,并得到一個可靠的結(jié)論?!?/p>

另一個挑戰(zhàn)就是對燃料電池原子層獲得了解。為此,黃教授與加州理工學(xué)院化學(xué)、材料科學(xué)和應(yīng)用物理系的Charles and Mary Ferkel教授William A. Goddard III長期合作,以對理想的微環(huán)境進(jìn)行分子動力學(xué)模擬。
責(zé)任編輯:YYX

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