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沟槽电极结构将氢燃料电池性能提升一半

时间:2023-08-29   访问量:114

一项新的研究发现,最有可能为车辆提供动力的氢燃料电池中的凹槽可以将设备的性能提高高达 50%。

燃料电池将氢等燃料中储存的化学能转化为电能。它的工作原理是使燃料与氧气或其他可以从燃料中夺走电子的氧化剂发生反应。燃料电池有两个电极:阳极,燃料被氧化或失去电子;阴极,氧化剂被还原或获得电子。

使用宇宙中最常见元素氢的燃料电池作为清洁、高效的能源具有广阔的前景。当氢气与燃料电池中的氧气反应发电时,不会像化石燃料那样产生污染物,结果只是水。

“重要的不仅仅是放入电极中的材料,还包括如何在微观尺度上构建材料。”

—Jacob Spendelow,洛斯阿拉莫斯国家实验室

根据美国能源部的说法,为汽车提供动力的最佳候选燃料电池是聚合物电解质膜(PEM)燃料电池,也称为质子交换膜燃料电池。它们使用质子传导聚合物膜作为插入燃料和氧化剂之间的电解质,以帮助在燃料电池内传输电荷。

研究人员在新研究中表示,重型卡车运输为质子交换膜燃料电池提供了特别有前途的机会。使用电池为这些车辆提供动力相对困难,因为它们需要长距离、快速加油、轻重量和小尺寸。

现在,科学家们发现,在标准操作条件下,与最先进的传统电极相比,在 PEM 燃料电池中添加凹槽可以将这些设备的性能提高高达 50%。

该研究的资深作者、洛斯阿拉莫斯国家实验室的化学工程师雅各布·斯彭德洛 (Jacob Spendelow)表示:“令我惊讶的是,电极的结构和排列能够产生如此强烈的影响,使传统市售催化剂能够实现高性能和耐用性。”在新墨西哥州。“它表明,重要的不仅仅是放入电极中的材料,还包括如何在微观尺度上构建材料。”

传统的质子交换膜燃料电池电极由碳载铂催化剂和称为离聚物的离子导电聚合物组成,它们在墨浆中混合并沉积在膜或其他结构上作为多孔电极。这就形成了一种随机电极结构,具有复杂、迷宫般的窄孔网络,限制了燃料电池内的流动。研究人员指出,30 多年来,这种结构基本上保持不变。

通过沿着凹槽和脊分离质子和氧气流,新电极有助于改善两者的传输。

相比之下,新电极的特点是催化剂脊上装有离聚物,并由空凹槽隔开。脊改善质子传输,而凹槽同时帮助氧气流动。

在传统的质子交换膜燃料电池电极中,高离聚物含量可以增强质子传输,但通常也会限制氧气流量。通过沿着凹槽和脊分离质子和氧气流,新电极有助于改善两者的传输。这也有助于保持燃料电池中的反应速率均匀,从而提高催化剂性能。

科学家们通过将碳支撑的铂催化剂和离聚物的混合物沉积在图案化的硅模板中,然后转移到由称为 Nafion 的常见聚合物电解质制成的膜上来制造新电极。他们对具有 1 至 2 微米宽的凹槽的电极进行了实验,并且每隔 3 至 6 微米在电极上重复出现凹槽。凹槽越窄,凹槽之间的距离越短,性能越好。

“大约四年前,我们提出了凹槽电极设计的基本概念,但弄清楚如何制造电极并使其工作需要付出很多努力,”斯彭德罗说。他指出,加拿大多伦多城市大学的研究主要作者ChungHyuk Lee的微加工技能“是使我们能够将想法转化为现实的关键因素。”

性能最佳的凹槽电极也比普通电极更加耐用,在 500 次活动循环后电流密度提高了 170%。研究人员指出,随着时间的推移,传统电极中的孔隙会因腐蚀而塌陷,从而影响其性能。相比之下,凹槽电极结构保持相对完整。

此外,机器学习分析表明,进一步优化凹槽电极有很大潜力。例如,科学家们发现,与他们测试的最好的凹槽电极相比,使凹槽更宽更深可以进一步将性能提高 36%,尽管需要更好的制造方法来证实这些发现。

“下一步关键是进行制造研发,以开发沟槽电极的可扩展生产,”斯彭德罗说。“从学术角度来看,我们希望继续探索凹槽电极设计的许多方面,但从实践角度来看,展示可制造性是关键。”

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