2023-01-08
 
一种显著提高燃料电池和其他关键设备寿命的简单方法
2023年01月08日  

麻省理工学院的研究人员发现了一种相对简单的方法来延长这些设备的寿命:改变系统的“pH”,这项研究可能会启动一系列技术,包括燃料电池,这是储存太阳能和风能的关键。

由已知为固体金属氧化物的材料制成的燃料电池和电解电池出于几个原因而受到关注。例如,在电解模式下,它们非常有效地将可再生能源的电能转化为可储存的燃料,如氢气或甲烷,可用于燃料电池模式,在太阳不亮或风不刮时发电。它们也可以在不使用铂等昂贵金属的情况下制造。然而,它们的商业可行性受到了阻碍,部分原因是它们随着时间的推移而退化。从用于构建燃料电池/电解电池组的互连中渗出的金属原子会慢慢毒害设备。

麻省理工学院材料科学与工程系(DMSE)的R.P.Simmons陶瓷和电子材料教授哈里·L·图勒(Harry L.Tuller)说:“我们能够证明的是,我们不仅可以逆转这种退化,而且可以通过控制空气电极界面的酸度,将性能提高到初始值以上。”。

这项研究最初由美国能源部通过化石能源和碳管理办公室(FECM)国家能源技术实验室资助,应该有助于该部实现到2035年大幅降低固体氧化物燃料电池降解率的目标鈥?50

“延长固体氧化物燃料电池的寿命有助于提供清洁能源未来所需的低成本、高效率的制氢和发电,”FECM氢与碳管理部门代理主管罗伯特·施雷恩戈斯特(Robert Schrecengost)说。“能源部对这些技术的成熟和最终商业化表示赞赏,以便我们能够为美国人民提供清洁可靠的能源。”

“我的整个职业生涯都在这个领域工作,到目前为止,我所看到的大多是渐进式的进步,”Tuller说,他最近因在固态化学和电化学领域的长期工作而被任命为2022年材料研究学会研究员。“人们通常对看到10%的改善感到满意。因此,真正看到更大的改善,以及更重要的是,确定问题的根源和解决方法,这是我们几十年来一直在努力解决的问题,这是非常了不起的。”

参与这项工作的另一位麻省理工学院教授詹姆斯·M·勒博(James M.LeBeau)说:“这项工作很重要,因为它可以克服阻碍固体氧化物燃料电池广泛使用的一些限制。此外,这一基本概念还可以应用于能源相关领域的许多其他材料。LeBeau是约翰·奇普曼材料科学与工程副教授

这项工作于8月11日发表在《能源与环境科学》杂志上。这篇论文的其他作者是汉吉尔·塞奥,DMSE博士后研究员;Anna Staerz,前DMSE博士后研究员,现就职于比利时大学间微电子中心(IMEC),不久将加入科罗拉多矿业学院;Dennis S.Kim,DMSE博士后研究员;Dino Klotz,DMSE访问科学家,现就职于苏黎世仪器;Michael Xu,DMSE研究生,和Clement Nicolet,前者是DMSE博士后研究员,现在在Universit茅 德南特。Seo和Staerz对这项工作贡献均等。

他们做了什么

燃料/电解电池有三个主要部分:由电解质分隔的两个电极(阴极和阳极)。在电解模式下,例如风力发电可以用来产生甲烷或氢气等可储存燃料。另一方面,在反向燃料电池反应中,当风不吹时,可储存的燃料可以用来发电。

工作燃料/电解池由许多单独的电池组成,这些电池堆叠在一起并通过钢-金属互连连接,钢-金属互联包括铬元素以防止金属氧化。但“事实证明,在这些电池运行的高温下,一些铬会蒸发并迁移到阴极和电解质之间的界面,从而使氧结合反应中毒,”Tuller说。在某一点之后,电池的效率下降到不再值得操作的程度。

Tuller说:“因此,如果你能通过减缓这一过程或理想地逆转这一过程来延长燃料/电解电池的寿命,你就可以在实现这一目标方面取得很大进展。”。

研究小组表明,通过控制阴极表面的酸度,两者都可以实现。他们还解释了正在发生的事情。

改变酸度

为了达到他们的结果,研究小组在燃料/电解电池阴极上涂上了氧化锂,这种化合物可以将表面的相对酸性从酸性变为碱性。“添加少量锂后,我们能够恢复中毒电池的初始性能,”Tuller说。当工程师们添加更多的锂时,性能的改善远远超过了初始值。“我们发现关键的氧还原反应速率提高了三到四个数量级,并将这一变化归因于用驱动氧掺入反应所需的电子填充电极表面。”

工程师们接着用最先进的透射电子显微镜和电子能量损失光谱学,以纳米级或十亿分之一米的速度观察材料,解释了正在发生的事情。“我们有兴趣了解不同化学添加剂(铬和氧化锂)在表面上的分布,”LeBeau说。

他们发现,锂氧化物有效地溶解了铬,形成了一种不再用于降低阴极性能的玻璃状材料。

下一步是什么?

Tuller说,许多技术,如燃料电池,都是基于氧化物固体在其晶体结构中快速呼吸氧气的能力。麻省理工学院的工作实质上展示了如何恢复鈥攁nd加速鈥攖通过改变表面酸度来提高hat能力。因此,工程师们乐观地认为,这项工作可以应用于其他技术,例如传感器、催化剂和基于氧气渗透的反应器。

该团队还探索了酸度对不同元素(如二氧化硅)中毒系统的影响。

Tuller总结道:“就像科学中经常出现的情况一样,你偶然发现了一些东西,并注意到了一个以前没有意识到的重要趋势。然后你进一步测试了这个概念,你发现它确实是非常基本的。”

免责声明: 本文仅代表作者本人观点,与中国机械网无关。本网对文中陈述、观点判断保持中立,不对所包含内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。请读者仅作参考,并请自行承担全部责任。本网转载自其它媒体的信息,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在一周内进行,以便我们及时处理。
客服邮箱:service@cnso360.com | 客服QQ:23341571