麻省理工：一種顯著提高燃料電池壽命的簡(jiǎn)單方法

更新時(shí)間：2022-09-23

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麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，改變系統(tǒng)的pH值可以解決一個(gè)困擾了行業(yè)幾十年的問題。

　　在這個(gè)可能革新一系列技術(shù)的研究中，包括了燃料電池，這是儲(chǔ)存太陽能和風(fēng)能的關(guān)鍵，麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的方法來增加這些設(shè)備的壽命：改變系統(tǒng)的pH值。

　　由固體金屬氧化物材料制成的燃料電池和電解電池引起人們的興趣有幾個(gè)原因。例如，在電解模式下，它們可以非常高效地將可再生電力轉(zhuǎn)化為氫或甲烷等可儲(chǔ)存的燃料，在燃料電池模式下，當(dāng)沒有陽光或不刮風(fēng)時(shí)，這些燃料可以用來發(fā)電。

　　它們也可以在不使用鉑等昂貴金屬的情況下制造。然而，它們的商業(yè)可行性受到了阻礙，部分原因是它們會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化。金屬原子會(huì)從用來建造燃料/電解電池組的連接處滲出，慢慢地毒害設(shè)備。

　　麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系(DMSE)的R.P. Simmons陶瓷與電子材料教授Harry L.Tuller說：

　　“我們已經(jīng)能夠證明的是，我們不僅可以逆轉(zhuǎn)這種退化，而且可以通過控制空氣電極界面的酸度，將性能提高到初始值以上。"

　　這項(xiàng)研究最初由美國(guó)能源部(DOE)通過化石能源和碳管理辦公室(FECM)國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室資助，將有助于能源部實(shí)現(xiàn)其在2035年至2050年顯著降低固體氧化物燃料電池(SOFC)降解率的目標(biāo)。

　　FECM氫與碳管理部門的代理主任Robert Schrecengost說：

　　“延長(zhǎng)固體氧化物燃料電池的壽命有助于實(shí)現(xiàn)未來清潔能源所需的低成本、高效率制氫和發(fā)電。"

　　“能源部對(duì)這些技術(shù)的成熟和最終商業(yè)化的進(jìn)步表示贊賞，這樣我們就可以為美國(guó)人民提供清潔可靠的能源。"

　　“我的整個(gè)職業(yè)生涯都在研究這個(gè)領(lǐng)域，到目前為止，我所看到的大多是漸進(jìn)式的改進(jìn)，"Tuller說，他最近因其在固態(tài)化學(xué)和電化學(xué)方面的長(zhǎng)期工作而被授予2022年材料研究協(xié)會(huì)院士。

　　“人們通常對(duì)看到百分之幾十的改進(jìn)感到滿意。而我們實(shí)際上看到了更大幅度的改進(jìn)，同樣重要的是，找出問題的根源和解決問題的方法，針對(duì)這些我們幾十年來一直在努力解決的問題，這是了不起的。"

　　麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系John Chipman副教授James M. LeBeau也參與了這項(xiàng)研究，他說：

　　“這項(xiàng)工作很重要，因?yàn)樗梢钥朔璧K固體氧化物燃料電池廣泛使用的一些限制。此外，這一基本概念還可以應(yīng)用于能源相關(guān)領(lǐng)域的許多其他材料。"

　　8月11日發(fā)表在《能源&環(huán)境科學(xué)（Energy & Environmental Science）》上的一篇報(bào)道詳細(xì)描述了這項(xiàng)工作。

改變酸度

　　燃料/電解電池有三個(gè)主要部分：兩個(gè)電極(陰極和陽極)被電解液隔開。在電解模式下，來自風(fēng)能的電力可以用來產(chǎn)生甲烷或氫氣等可儲(chǔ)存燃料。

　　另一方面，在反向燃料電池反應(yīng)中，可儲(chǔ)存的燃料可以在不刮風(fēng)的時(shí)候用來發(fā)電。

　　一個(gè)工作中的燃料/電解電池是由許多堆疊在一起的獨(dú)立電池單元組成的，這些電池由包括鉻元素在內(nèi)的鋼金屬連接件連接起來，以防止金屬氧化。

　　但是“事實(shí)證明，當(dāng)這些電池運(yùn)行的高溫下，一些鉻會(huì)蒸發(fā)并遷移到陰極和電解質(zhì)之間的界面上，從而破壞氧氣摻入反應(yīng)，"Tuller說。在某一點(diǎn)之后，電池的效率就會(huì)下降到不值得再工作的程度。

　　“所以，如果你能通過減慢這個(gè)過程來延長(zhǎng)燃料/電解電池的壽命，或者在理想情況下逆轉(zhuǎn)這個(gè)過程，你就能讓它變得實(shí)用，"Tuller說。

　　研究小組表明，通過控制陰極表面的酸度，這兩種結(jié)果都可以實(shí)現(xiàn)。他們還解釋了正在發(fā)生的事情。

　　為了實(shí)現(xiàn)這一結(jié)果，研究小組在燃料/電解電池陰極上涂上了鋰氧化物，這種化合物可以將表面的相對(duì)酸性改變?yōu)閴A性。

　　“在加入少量鋰后，我們能夠恢復(fù)中毒單元的初始性能，"Tuller說。當(dāng)工程師添加更多的鋰時(shí)，性能的改善遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了初始值。

　　“我們發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵的氧氣還原反應(yīng)速率提高了3到4個(gè)數(shù)量級(jí)，這是因?yàn)殡姌O表面填充了驅(qū)動(dòng)氧氣摻入反應(yīng)所需的電子。"

　　工程師們?cè)贛IT.nano使用先進(jìn)的透射電子顯微鏡和電子能量損失光譜學(xué)在納米尺度(即十億分之一米)上觀察材料來解釋正在發(fā)生的事情。

　　“我們對(duì)了解不同化學(xué)添加劑(鉻和氧化鋰)在表面的分布很感興趣，"LeBeau說。

　　他們發(fā)現(xiàn)，鋰氧化物能有效地溶解鉻，形成一種玻璃材料，不再起到降低陰極性能的作用。

傳感器、催化劑等的應(yīng)用

　　Tuller說，許多技術(shù)，比如燃料電池，都是基于氧化物固體快速吸入氧氣和排出晶體結(jié)構(gòu)的能力。麻省理工學(xué)院的研究基本上展示了如何通過改變表面酸度來恢復(fù)并加速這種能力。因此，工程師們樂觀地認(rèn)為，這項(xiàng)工作可以應(yīng)用于其他技術(shù)，包括傳感器、催化劑和氧滲透反應(yīng)器。

　　該團(tuán)隊(duì)還在探索酸度對(duì)不同元素(如二氧化硅)中毒系統(tǒng)的影響。

　　Tuller總結(jié)道：“就像在科學(xué)中經(jīng)常發(fā)生的情況一樣，你偶然發(fā)現(xiàn)了一些東西，并注意到一個(gè)以前沒有意識(shí)到的重要趨勢(shì)。然后你進(jìn)一步測(cè)試這個(gè)概念，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它確實(shí)非常

文章來源：全球氫能網(wǎng)

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