Turboladning af brændselsceller med en multifunktionel katalysator

Kører rent, effektive biler er kun en måde, brændselscelleteknologi kan fremskynde menneskeheden til en bæredygtig energifremtid på, men desværre, teknologien har været lidt træg. Nu, ingeniører kan være i stand til i det væsentlige at turbolade brændselsceller med en ny katalysator.

Trægheden kommer fra en kemisk flaskehals, hastigheden af ​​behandling af ilt, en vigtig ingrediens, der hjælper brændselsceller, der er relateret til batterier, producere elektricitet. Den nye katalysator, et nanoteknologimateriale udviklet af ingeniører ved Georgia Institute of Technology, fremskynder markant iltbehandlingen og er genstand for en ny undersøgelse.

Dels for at imødekomme iltens begrænsninger, brændselsceller kræver normalt rent brændstof, som reagerer med ilt taget fra luften, men omkostningerne ved at producere brint har været uoverkommelige. Den nye katalysator er en potentiel game-changer.

"Det kan let omdanne kemisk brændstof til elektricitet med høj effektivitet, "sagde Meilin Liu, der ledede undersøgelsen og er regentsprofessor i Georgia Techs School of Material Science and Engineering. "Det kan lade dig bruge let tilgængelige brændstoffer som metan eller naturgas eller bare bruge brintbrændstof meget mere effektivt, "Sagde Liu.

Katalysator 8 gange så hurtigt

Katalysatoren opnår effektiviteten ved at skubbe ilt gennem en brændselscelles system. "Det er mere end otte gange så hurtigt som state-of-the-art materialer, der gør det samme nu, "sagde Yu Chen, en postdoktoral forskningsassistent i Lius laboratorium og undersøgelsens første forfatter.

Der er et par typer brændselsceller, men forskerne arbejdede på at forbedre faste oxidbrændselsceller, som findes i nogle prototypiske brændselscellebiler. Forskningsindsigten kan også hjælpe med at finpudse superkapacitorer og teknologi parret med solpaneler, og dermed fremme bæredygtig energi ud over den nye katalysators umiddelbare potentiale for at forbedre brændselsceller.

Liu og Chen offentliggjorde deres undersøgelse i martsnummeret af tidsskriftet Joule . Deres forskning blev finansieret af det amerikanske energiministerium og af Guangdong Innovative and Entrepreneurial Research Program. Brændselscellearbejdet fra Lius laboratorium har allerede tiltrukket sig betydelig energiindustri og bilindustri interesse.

Naturligvis træg ilt

Selvom de fungerer anderledes end brændselsceller og er meget mindre effektive og rene, forbrændingsmotorer er en nyttig metafor til at hjælpe med at forstå, hvordan brændselsceller og den nye katalysator fungerer.

I en forbrændingsmotor, brændstof fra en tank og ilt fra luften samles for at reagere i en eksplosion, producerer energi, der drejer en krumtapaksel. Tilføjelse af en turbolader fremskynder processen ved at blande brændstof og ilt hurtigere sammen og skynde dem til forbrænding.

I øjeblikket, i brændselsceller, brintbrændstof fra en tank og ilt fra luften driver også en proces, der producerer energi, I dette tilfælde, elektricitet. De to ingredienser kommer sammen i en reaktion, men en meget forskellig fra forbrænding, og meget renere.

Den ene ende af brændselscellen, anoden, fjerner elektroner fra hydrogenatomerne i det, der kaldes oxidation, og sender elektronerne gennem et eksternt kredsløb som elektrisk strøm til katoden på den anden side. Der, ilt, som er notorisk elektron sulten, suger elektronerne op i det, der kaldes reduktion, og det holder strømmen flydende.

Brintet, nu positivt ladet, og ilt, nu negativt ladet, mødes for at danne vand, som er brændselscellens udstødning.

I den reaktionskæde, ilt er det langsomme led på to måder:iltreduktion tager længere tid end hydrogens oxidation, og det reducerede ilt bevæger sig langsommere gennem systemet for at møde brint. Analog med turboladeren, den nye katalysator skubber iltet fremad.

Nano ilt rush

Katalysatoren påføres som en ren belægning, der kun er omkring to dusin nanometer tyk og består af to forbundne nanoteknologiske løsninger, der bryder begge iltflaskehalse.

Først, nanopartikler, der er meget attraktive for ilt, griber O2 -molekylet og lader tilstrømmende elektroner hurtigt hoppe på det, let reducere det og rive det i to separate iltioner (hver en O2-). Derefter suger en række kemiske huller kaldet iltfrie pladser, der er indbygget i nanopartiklernes strukturer, iltionerne op som kæder af støvsugere, der fører ionerne hånd til hånd til katalysatorens anden fase.

Den anden fase er en belægning, der er fuld af iltfrie pladser, der kan passere O2- endnu hurtigere mod sin endelige destination.

"Iltet går hurtigt ned gennem kanalerne og kommer ind i brændselscellen, hvor det møder det ioniserede brint eller en anden elektrondonor som metan eller naturgas. "

Ionerne mødes for at lave vand, som forlader brændselscellen. For metanbrændstof, der udledes også ren CO2, som kan fanges og genbruges tilbage til brændstof.

Interessante sjældne metaller

I den første fase, der er to forskellige varianter af nanopartikler på arbejde. Begge har kobolt, men den ene indeholder barium og den anden praseodym, et sjældent jordartsmetal, der kan være dyrt i store mængder.

"Praseodym er i så meget små mængder, at det ikke påvirker omkostningerne, "Sagde Liu." Og katalysatoren sparer mange penge på brændstof og på andre ting. "

Høje driftstemperaturer i eksisterende brændselsceller kræver dyre beskyttelseskapper og kølematerialer. Forskerne mener, at katalysatoren kunne hjælpe med at sænke temperaturerne ved at reducere elektrisk modstand, der er forbundet med den nuværende brændselscellekemi. Det kunne, på tur, reducere de samlede materialeomkostninger.

Beskyttende katodebelægning

Den anden fase af katalysatoren er et gitter, der indeholder praseodym og barium, samt calcium og kobolt (PBCC). Ud over dets katalytiske funktion, PBCC -belægningen beskytter katoden mod nedbrydning, der kan begrænse levetiden for brændselsceller og lignende enheder.

Det underliggende originale katodemateriale, som indeholder metallerne lanthan, strontium, kobolt, og jern (LSCF), er blevet en industristandard, men der er en advarsel.

"Det er meget ledende, meget godt, men problemet er, at strontium undergår en formindskelse, der kaldes adskillelse i materialet, "Sagde Liu." En komponent i vores katalysator, PBCC, fungerer som en belægning og holder LSCF meget mere stabil. "

LSCF-fremstilling er allerede veletableret, og tilføjelse af katalysatorbelægningen til produktion kan sandsynligvis med rimelighed opnås. Liu overvejer også at udskifte LSCF -katoden fuldstændigt med det nye katalysatormateriale, og hans laboratorium udvikler endnu en katalysator til at øge brændstofoxidationsreaktionerne ved brændselscellens anode.