用多功能催化剂涡轮增压燃料电池

为清洁，高效的汽车供电只是燃料电池技术可以加速人类进入可持续能源未来的一种方式，但不幸的是，这项技术有点迟钝。现在，工程师可能能够使用新催化剂对燃料电池进行涡轮增压。

缓慢来自化学瓶颈，处理氧气的速度，这是一种关键成分，可以帮助与电池相关的燃料电池发电。新催化剂是由佐治亚理工学院的工程师开发的纳米技术材料，显着加速了氧气处理，是一项新研究的主题。

部分地为了适应氧气的限制，燃料电池通常需要纯氢燃料，其与从空气中吸入的氧气反应，但产生氢气的成本过高。新的催化剂是一个潜在的改变游戏规则的人。

“它可以很容易地将化学燃料高效地转化为电能，”负责该研究的梅林刘说，他是乔治亚理工学院材料科学与工程学院的摄政教授。“它可以让你使用现成的燃料，如甲烷或天然气，或者更有效地使用氢燃料，”刘说。

催化剂速度快8倍

催化剂通过燃料电池系统冲氧来实现效率。“它的速度是目前最先进的材料的8倍，”刘的实验室博士后研究员兼该研究的第一作者余琛说。

有几种类型的燃料电池，但研究人员致力于改进固体氧化物燃料电池，这些燃料电池存在于一些典型的燃料电池汽车中。研究见解还可以帮助珩磨超级电容器和技术与太阳能电池板配对，从而推动可持续能源超越新催化剂改善燃料电池的直接潜力。

刘和陈在3月号的焦耳杂志上发表了他们的研究。他们的研究由美国能源部和广东创新与创业研究计划资助。刘氏实验室的燃料电池工作已经吸引了众多能源行业和汽车行业的兴趣。

自然缓慢的氧气

虽然它们与燃料电池的工作方式不同，而且效率和清洁效率也低得多，但内燃机提供了一个有用的比喻来帮助理解燃料电池和新催化剂的工作原理。

在内燃机中，来自油箱的燃料和来自空气的氧气聚集在一起以在爆炸中作出反应，产生转动曲轴的能量。添加涡轮增压器可以通过将燃料和氧气更快地混合在一起并将它们推向燃烧来加速过程。

目前，在燃料电池中，来自罐的氢燃料和来自空气的氧也驱动产生能量的过程，在这种情况下，产生电能。这两种成分在反应中聚集在一起，但与燃烧非常不同，而且更加清洁。

燃料电池的一端即阳极，通过所谓的氧化从氢原子中除去电子，并通过外部电路将电子作为电流发送到另一侧的阴极。在那里，众所周知，电子饥饿的氧气在所谓的还原中吸收电子，并保持电流。

现在带正电的氢气和带负电的氧气会合，形成水，这是燃料电池的排气。

在该反应链中，氧气是两种方式的缓慢联系：氧气的还原需要比氢气的氧化更长的时间，并且减少的氧气在系统中移动得更慢以与氢气相遇。类似于涡轮增压器，新催化剂推动氧气向前推进。

纳米氧气冲

该催化剂仅作为绝缘涂层施加，仅约二十二纳米厚，由两种连接的纳米技术溶液组成，可以打破两个氧气瓶颈。

首先，对氧气具有高度吸引力的纳米粒子会抓住O2分子，让流入的电子迅速跳到它上面，轻易地将其减少并将其撕成两个独立的氧离子(每个氧离子都是O2-)。然后，一系列称为氧空位的化学间隙被纳入纳米粒子的结构中，吸收氧离子，就像真空吸尘器链一样，将离子交给催化剂的第二相。

第二阶段是一个充满氧气空位的涂层，它可以更快地通过氧气 - 最终目的地。

“氧气迅速通过通道进入燃料电池，在那里遇到电离氢或其他电子供体，如甲烷或天然气。”

离子相遇以产生水，其离开燃料电池。在甲烷燃料的情况下，也释放出纯二氧化碳，其可被捕获并再循环回燃料中。

有趣的稀有金属

在第一阶段，有两种不同口味的纳米粒子在起作用。两者都含有钴，但其中一种含有钡，另一种含有镨，这是一种稀土金属，价格昂贵。

“镨的数量非常少，不会影响成本，”刘说。“催化剂在燃料和其他方面节省了大量资金。”

现有燃料电池中的高操作温度需要昂贵的保护壳和冷却材料。研究人员认为，催化剂可以通过降低当前燃料电池化学固有的电阻来帮助降低温度。反过来，这可以降低整体材料成本。

保护阴极涂层

催化剂的第二阶段是含有镨和钡以及钙和钴(PBCC)的晶格。除了催化功能外，PBCC涂层还可以保护阴极免受降解，从而限制燃料电池和类似设备的使用寿命。

含有金属镧，锶，钴和铁(LSCF)的底层原始阴极材料已成为行业标准，但需要注意。

“它具有很强的导电性，非常好，但问题是锶经历了一种称为材料分离的减少，”刘说。“我们的催化剂的一个组成部分，PBCC，作为涂层，使LSCF更加稳定。”

LSCF制造已经很成熟，并且可以合理地实现将催化剂涂层添加到生产中。Liu还在考虑用新的催化剂材料完全替换LSCF阴极，他的实验室正在开发另一种催化剂，以促进燃料电池阳极的燃料氧化反应。