《美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开发新型燃料电池》

  • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2019-04-12
  • 据国外网站报道,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室( Los Alamos National Laboratory )将展开一项全新工作,制造一款聚合物燃料电池来降低 氢 能汽车的成本。

    该实验室将从国家能源部和 ARPA-E (高级研究计划局 - 能源)获得 290 万美元的资助,该项目于 2019 年 2 月 1 日开始,并制定了为期三年的研究计划。丰田公司,伦斯勒理工学院,德克萨斯大学奥斯汀分校,新墨西哥大学和 Xergy 公司,均将参与该项目辅助洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究。      

    燃料电池汽车是一种特殊的电动汽车,只有燃料电池内部达到水合要求,且发动机的工作温度低于 100℃ 时才会运行。洛斯阿拉莫斯国家实验室的 Yu Seung Kim 及其团队的工作, 是 制造一种特殊燃料电池,使电动汽车 发动机可在高温下运行 。   

    这种新的燃料电池发动机 的 散热器 比现有的更小 ,甚至可以消除。这种燃料电池可以在不使用水的情况下,在 100℃ 以上工作,最高可达 230℃ 。这种技术的施行将为燃料电池组创造更多的空间,来实现车辆的轻量化和低成本化,同时增加电池输出功率 20-30 %以上。   

    此外使用新的燃料电池技术还可以去除其他组件,如加湿器和除雾器。该燃料电池将采用离子对配位聚合物膜,专门 用以 在宽温度范围内提供更高的质子传导率。该项目的开发,不仅能够实现燃料电池汽车技术的革新,同时相关技术还可以用于其他领域,如氨的生产和高温直接液体燃料电池。

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    • 编译者:guokm
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    • 阻碍环保氢燃料电池广泛应用于汽车、卡车和其他车辆的一个因素是铂催化剂的成本。 使用不太贵重的铂的一种方法是将其与其他较便宜的金属结合使用,但这些合金催化剂在燃料电池条件下往往会迅速降解。 现在,布朗大学的研究人员已经开发出一种新型合金催化剂,既能减少铂的使用,又能在燃料电池测试中保持良好的性能。 据《焦耳》杂志报道,这种催化剂由铂合金和纳米颗粒中的钴制成,在反应性和耐久性方面都超过了美国能源部(DOE) 2020年的目标。 “合金催化剂的耐久性是该领域的一个大问题,”布朗大学化学研究生Junrui Li说。 “研究表明,合金最初的性能比纯铂要好,但在燃料电池中,催化剂的非贵金属部分会很快被氧化和过滤掉。” 为了解决这个浸出问题,Li和他的同事开发了一种特殊结构的合金纳米颗粒。 这些粒子有一个纯铂外壳,围绕着一个由铂和钴原子交替层构成的核心。 布朗大学(Brown)化学教授、该研究的资深作者Shouheng Sun表示,这种分层的核心结构是催化剂反应性和耐久性的关键。 “内核中原子的分层排列有助于平滑和收紧外壳中的铂晶格,”Sun说。 “这增加了铂的反应性,同时也防止了钴原子在反应过程中被吃掉。这就是为什么在金属原子随机排列的情况下,这些粒子比合金粒子表现得更好。” 关于有序结构如何增强催化剂活性的细节在焦耳论文中有简要描述,但更具体地说,在发表在《化学物理杂志》上的另一篇计算机建模论文中。 这项建模工作由安德鲁·彼得森(Andrew Peterson)领导,他是布朗工程学院的副教授,也是焦耳论文的合著者。 为了进行实验工作,研究人员测试了催化剂的能力来执行氧还原反应,这对燃料电池性能和耐久性是至关重要的。 在质子交换膜(PEM)燃料电池的一侧, 从氢燃料中剥离出来的电子会产生驱动电动机的电流。在电池的另一端,氧原子吸收这些电子来完成一个循环。 这是通过氧还原反应完成的。 初步测试表明,该催化剂在实验室环境下表现良好,优于更传统的铂合金催化剂。 新催化剂在3万次电压循环后仍然保持活性,而传统催化剂的性能明显下降。 但是,尽管实验室测试对于评估催化剂的性能很重要,研究人员说,它们并不一定能显示催化剂在实际燃料电池中的性能。 与实验室测试环境相比,燃料电池环境温度更高,酸度也不同,这将加速催化剂的降解。 为了弄清楚这种催化剂在这种环境下能维持多久,研究人员将这种催化剂送到洛斯阿拉莫斯国家实验室,在一个实际的燃料电池中进行测试。 测试表明,该催化剂在初始活性和长期耐久性方面都优于美国能源部(DOE)设定的目标。 美国能源部要求研究人员开发催化剂,到2020年,其初始活性为每毫克铂0.44安培,在3万次电压循环(大致相当于燃料电池汽车使用5年)后,其活性至少为每毫克铂0.26安培。 对新催化剂的测试表明,它的初始活性为每毫克0.56安培,在3万次循环后的活性为每毫克0.45安培。 “即使经过了30000个循环,我们的催化剂仍然超出了能源部最初的活性目标,”Sun说。 “在真实的燃料电池环境中,这种性能真的很有前途。” 研究人员已经申请了催化剂的临时专利,他们希望继续开发和完善它。
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    • 美国能源部(DOE)对外宣称将获得9800万美元,用于支持高级研究计划署(Energy Research Projects Agency)下的40个变革性能源技术项目、能源公司最新的开放式融资。燃料电池相关项目也在投资之列。 劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)的“金属支持的乙醇燃料汽车SOFCS”项目将获得317万美元的资金支持。项目显示,LBNL正在开发一种金属支持的固体氧化物燃料电池(MS-SOFC)堆栈,用乙醇-水混合物发电,以便为轻型混合动力乘用车型提供高效率支持。。 根据美国能源部的说法,目前的LBNL的MS-SOFC可以在几秒钟内从室温升温到大约700摄氏度的工作温度,而不发生热膨胀开裂,运行期间不仅可以容忍快速变化的温度环境,而且机械坚固。但目前正在使用的乙醇燃料,在进入燃料电池之前的重整过程中会转化氢气和一氧化碳。 该团队表示将利用这些资金来调整MS-SOFC直接处理液态乙醇-水燃料,同时保持其高性能和耐用性,并解决围绕电池组装成堆叠以增加功率输出的挑战。 “ARPA-E的公开征集,为美国的能源创新者们提供了向我们介绍下一件大事的机会。”美国能源部长Rick Perry表示:“人类历史上许多最伟大的进步都是从一个人或一个想法自下而上开始,开放的2018年提供了开启下一个能源进步大门的潜在可能。”