Ny flydende-metal-membranteknologi kan hjælpe med at gøre brintbrændselscellekøretøjer levedygtige

Mens biler drevet af brintbrændselsceller tilbyder klare fordele i forhold til de elektriske køretøjer, der vokser i popularitet (inklusive deres længere rækkevidde, deres lavere samlede miljøpåvirkning, og det faktum, at de kan tankes på få minutter, kontra timers opladningstid), de har endnu ikke taget fart hos forbrugerne. En årsag er de høje omkostninger og kompleksiteten ved at producere, distribuere, og opbevaring af den rene brint, der er nødvendig for at drive dem, hvilket har hindret udrulningen af ​​brinttankstationer.

Ingeniører har længe erkendt styrken – og ubegrænset tilgængelighed – af brint, det mest udbredte element i universet. Brint forekommer naturligt i miljøet, men det er næsten altid kemisk bundet til andre grundstoffer - til ilt i vand (H2O), for eksempel, eller til kulstof i metan (CH4). For at opnå ren brint, det skal være adskilt fra et af disse molekyler. Næsten al den brint, der produceres i USA, kommer fra kulbrintebrændstoffer, primært naturgas, gennem dampreformering, en flertrinsproces, hvor kulbrinterne reagerer med højtemperaturdamp i nærværelse af en katalysator for at producere kulilte, carbondioxid, og molekylært hydrogen (H2).

Brinten kan så adskilles fra de andre gasser gennem en besværlig, flertrins kemisk proces, men omkostningerne og kompleksiteten af ​​brintproduktion kan reduceres ved at bruge en membran til at udføre separationen. De fleste af de brintseparationsmembraner, der i øjeblikket udvikles, bruger ædelmetallet palladium, som har usædvanlig høj brintopløselighed og permeans (hvilket betyder, at brint let opløses i og bevæger sig gennem metallet, mens andre gasser er udelukket). Men palladium er dyrt (det sælges i øjeblikket for omkring $900 per ounce) og skrøbeligt.

Af disse grunde, kemiske ingeniører har længe søgt efter alternativer til palladium til brug i hydrogenseparationsmembraner, men indtil videre, ingen egnede kandidater er dukket op. En banebrydende undersøgelse ledet af Ravindra Datta, professor i kemiteknik ved Worcester Polytechnic Institute (WPI), kan have identificeret det længe undvigende palladiumalternativ:flydende metaller.

Et væld af metaller og legeringer er flydende ved de standarddriftstemperaturer, der findes i dampreformeringssystemer (omkring 500 grader C), og de fleste af disse er langt billigere end palladium. Ud over, en membran lavet med en film af flydende metal bør ikke være udsat for de defekter og revner, der kan gøre en palladiummembran ubrugelig.

WPI undersøgelsen, offentliggjort i Tidsskrift for American Institute of Chemical Engineers , er den første til at demonstrere, at ud over disse fordele, flydende metalmembraner ser også ud til at være væsentligt mere effektive end palladium til at adskille rent brint fra andre gasser, antyder, at de kan give en praktisk og effektiv løsning på udfordringen med at levere brint til en overkommelig pris til brændselscellekøretøjer. "Det seneste skift til elbiler er irreversibelt, " sagde Datta. Det næste skridt efter elbiler, han og andre tror, er brintbrændstofkøretøjer - hvis brintforsyningspuslespillet er løst.

Ligesom batteridrevne elbiler, brændselscellekøretøjer har elektriske motorer. Motorerne drives af elektricitet, der genereres inde i brændselscellen, når brint og ilt kombineres i nærværelse af en katalysator (det eneste "affalds"-produkt er vand). Mens de kan trække ilt fra luften, bilerne skal have en forsyning af ren brint.

Mange forskere har fokuseret på at bringe omkostningerne ved det brint ned ved at lave bedre og tyndere palladiummembraner. Nogle af de mest avancerede membraner blev produceret af den pensionerede WPI kemiingeniørprofessor Yi Hua "Ed" Ma, WHO, med betydelig finansiering fra industrien og det amerikanske energiministerium, banebrydende en proces til at binde palladium til et porøst stålrør, hvilket resulterer i palladiumlag så tynde som 5 til 10 mikron.

At gøre palladiumlaget tyndt øger membranens flux, eller den hastighed, hvormed rent brint bevæger sig gennem det. "Men hvis en hinde er for tynd, " Datta sagde, "det bliver skrøbeligt, eller det udvikler defekter. Og membranerne skal være fejlfrie. Hvis de selv udvikler en hårgrænse eller en mikropore, du skal starte forfra."

For seks år siden, Datta og hans elever begyndte at spekulere på, om flydende metaller kunne overvinde nogle af palladiums begrænsninger - især dets omkostninger og skrøbelighed - mens de også potentielt, giver overlegen brintopløselighed og permeans. "Udover kemisk affinitet, permeans afhænger af, hvor åben en metallisk krystalstruktur er, " sagde han. "Flydende metaller har mere plads mellem atomer end faste metaller, så deres opløselighed og diffuserbarhed burde være højere."

Efter en litteraturgennemgang afslørede ingen tidligere forskning om dette emne, Datta har med succes ansøgt om en pris på 1 million dollar fra det amerikanske energiministerium for at undersøge muligheden for at bruge flydende metaller til brintseparation. han og hans hold, kandidatstuderende Pei-Shan Yen og Nicholas Deveau (Yen fik sin ph.d. i 2016; Deveau modtog sin i maj), besluttede at begynde deres udforskning med gallium, et ugiftigt metal, der er flydende ved stuetemperatur.

De udførte grundlæggende arbejde, der afslørede, at gallium var en fremragende kandidat, da det viste signifikant højere brintpermeans end palladium ved forhøjede temperaturer. Faktisk, laboratorieundersøgelser og teoretisk modellering udført af holdet viste, at en række metaller, der er flydende ved højere temperaturer, kan have bedre brintpermeance end palladium.

Mens flydende gallium viste meget lovende som et materiale til hydrogenseparation, at skabe en fungerende membran med metallet viste sig at være udfordrende, sagde Datta. "Det viser sig, at flydende metaller er meget reaktive, " sagde han. "Du kan ikke placere gallium på en porøs metalstøtte, som professor Ma gjorde med palladium, da det ved højere temperaturer hurtigt danner intermetalliske forbindelser, der dræber permeabiliteten." Holdet opdagede, at metallet også vil reagere med en række keramiske materialer, der almindeligvis bruges som understøtninger i palladiummembraner.

Gennem modellering og eksperimenter, de udarbejdede en liste over materialer, inklusive kulstofbaserede materialer som grafit og siliciumcarbid, som ikke reagerer kemisk med flydende gallium, men som også kan fugtes af det flydende metal, hvilket betyder, at metallet vil sprede sig og danne en tynd film på støttematerialet.

Vær opmærksom på, at overfladespændingen af ​​flydende metaller sandsynligvis ville ændre sig som reaktion på variationer i temperatur og sammensætningen af ​​de gasser, de blev udsat for, potentielt producere lækager, de besluttede at indsætte metallet mellem to lag støttemateriale for at skabe en indlejret flydende metalmembran eller SLiMM. En membran bestående af et tyndt (to tiendedele af en millimeter) lag flydende gallium mellem et lag siliciumcarbid og et lag grafit, blev konstrueret i laboratoriet og testet for stabilitet og hydrogenpermeans.

Membranen blev udsat for en brintatmosfære i to uger ved temperaturer fra 480 til 550 grader C. Resultaterne viste, at den flydende galliumfilm var op til 35 gange mere permeabel for brint end et sammenligneligt lag af palladium, og at diffusion af brint gennem den sandwichede membran var betydeligt højere end for en typisk palladiummembran. Testen viste også, at membranerne var selektive, lader kun brint passere igennem.

"Disse test bekræftede vores hypoteser om, at flydende metaller kan være egnede kandidater til hydrogenseparationsmembraner, " Datta sagde, "antyder, at disse materialer kunne være den længe søgte erstatning for palladium. Der er et væld af spørgsmål, der stadig mangler at blive besvaret, herunder om de små membraner, vi har konstrueret i laboratoriet, kan skaleres op, og om membranerne vil være modstandsdygtige over for stoffer, der findes i reformerede gasser (bl.a. kulilte og svovl), som vides at forgifte palladiummembraner.

"Men ved at demonstrere gennemførligheden af ​​sandwichede flydende metalmembraner, vi har åbnet døren til et meget lovende nyt område inden for brintenergiforskning, " Datta tilføjede, "for der er mange andre metaller og legeringer, hinsides gallium, der er flydende ved 500 grader C. Det er et stort åbent felt, i forhold til hvilke materialer du måtte bruge. Også, det stiller en række interessante videnskabelige spørgsmål."