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燃料电池突破可降低成本并提高产能

时间：2022-04-11 16:16:41 来源：

特拉华大学（UD）科学家创造了一种新技术，可以使燃料电池更便宜，更耐用。氢燃料电池是内燃机的绿色替代品，因为它们通过电化学反应产生动力，不会留下任何污染，并且效率更高。铂是汽车燃料电池中最常见的催化剂，但价格昂贵。UD团队使用一种新颖的方法提出了一种更便宜的催化剂，可以加速燃料电池汽车的商业化。

他们在《自然通讯》上发表的一篇论文中描述了他们的结果。

氢燃料电池是内燃机的绿色替代品，因为它们通过电化学反应产生能量，而不会留下任何污染。

称为催化剂的材料会刺激这些电化学反应。铂是用于车辆的燃料电池类型中最常见的催化剂。但是，铂金价格昂贵-那些购物珠宝的人都知道。这种金属的价格约为每公斤30,000美元。

（单击放大）合成分散在碳材料上的过渡金属碳化物纳米颗粒的两步法示意图。图片来源：特拉华大学。单击图像可查看最大视图。

相反，UD团队制造了一种碳化钨催化剂，每公斤的价格约为150美元。他们以新颖的方式生产了碳化钨纳米粒子，比以前的方法小得多，可扩展性更高。

UDs能源创新催化中心主任Dionisios Vlachos说：“这种材料通常是在非常高的温度（约1,500摄氏度º）下制造的，在这种温度下，它会变大并且几乎没有化学发生的表面积。我们的方法是率先制造可在商业上与催化相关的高表面积纳米材料的方法之一。”

研究人员使用包括水热处理，分离，还原，渗碳等在内的一系列步骤制造了碳化钨纳米颗粒。

能源创新催化中心的研究人员郑为清表示：“我们可以在此过程中分离出各个碳化钨纳米颗粒，并使粒径分布非常均匀。”

接下来，研究人员将碳化钨纳米颗粒掺入燃料电池的膜中。称为质子交换膜燃料电池（PEMFC）的汽车燃料电池包含聚合物膜。该膜将阴极与阳极分开，后者将氢（H2）分解为离子（质子），并将其传递到阴极，后者输出电流。

此类塑料膜会随着时间的流逝而磨损，尤其是经过过多的湿/干循环时，这很容易发生，因为在燃料电池的电化学反应过程中会产生水和热量。

将碳化钨掺入燃料电池膜后，它会以使性能最佳化的水平对膜进行加湿。

机械工程系的副科学家梁望说：“碳化钨催化剂改善了燃料电池的水管理，并减轻了加湿系统的负担。”

研究小组还发现，碳化钨在破坏燃料电池膜之前会捕获破坏性的自由基。结果，具有碳化钨纳米颗粒的膜比传统膜具有更长的使用寿命。

Ajay K. Prasad教授解释说：“我们开发的低成本催化剂可与膜结合使用，以提高性能和功率密度。结果，对于相同的功率，燃料电池堆的物理尺寸可以减小，使其更轻和更便宜。此外，我们的催化剂能够在不牺牲耐用性的情况下提供更高的性能，与其他团队的类似努力相比，这是一个很大的进步。”

UD研究团队使用创新方法来测试由碳化钨制成的燃料电池的耐久性。他们使用扫描电子显微镜和聚焦离子束获得了薄膜的薄层图像，并使用软件对其进行了分析，从而重建了薄膜的三维结构，从而确定了燃料电池的寿命。

该组织已申请了专利，并希望将其技术商业化。

郑说：“这是跨部门的不同小组如何协作的一个很好的例子。”

在过去的几年中，出现了一些尚未达到商业规模的突破。仍有可能，但市场仍然很小，需求低迷。也许这项技术是突破性的。仍然存在储氢物质。但是快速使用氢气的生产将产生可以利用的另一种情况。也许这个市场已经准备好了。也许这将是一个触发因素？

布莱恩·韦斯滕豪斯（Brian Westenhaus）


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