十一月二十八日
燃料电池可能很昂贵，而且它们通常不像内燃电池那样持久。
研究人员佐治亚理工研究所的(GTRI)创新燃料电池和电池技术中心认为，理解燃料电池失效的方式和原因是降低成本和提高耐用性的关键。
自三年前从联合技术公司(United Technologies)加入GTRI以来，中心主任汤姆·富勒(Tom Fuller)一直在努力解决他认为的三大耐久性问题。
Tom Fuller的研究表明，为了提高燃料电池的耐用性，进而降低成本，需要新的材料、新的制造工艺和新的设计。图片来源:佐治亚理工学院
Fuller也是佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院(ChBE)的教授，他说:“我的理念是，如果我们能够真正理解这些故障机制的基本原理，那么我们就可以利用这些信息来指导新材料的开发，或者我们可以开发系统方法来减轻这些故障。”
富勒正在解决的问题包括膜的化学攻击，碳腐蚀和铂的不稳定性。富勒在上个月的第212届电化学学会会议上描述了解决这些问题的进展。
在一个典型的燃料电池中，氢被输送到电池的阳极，其中含有催化剂，如铂。铂将氢分子(H2)分解成氢离子和电子。在燃料电池的阴极一侧，氧化剂如氧气或空气流被输送。
中间有一个质子交换膜，只有氢离子可以穿过膜到达阴极。电子沿着不同的路径通过电路到达阴极，从而产生电流。在阴极，氢离子与氧离子结合，电子经过较长的路径形成水，流出电池。
富勒的研究表明，这种通常由合成聚合物制成的膜，很容易受到自由基的攻击，从而在屏障上制造小孔。自由基是由过氧化氢(H2O2)分解形成的，过氧化氢是一种可以在膜附近形成的强氧化性化学物质。
由于典型的膜厚度约为25-50微米，大约相当于人类头发的厚度，所以用肉眼是不可能看到过氧化氢引起的降解的。
在3月份发表在《电源杂志》上的一篇论文中，富勒和丹尼斯·赫斯教授、研究科学家加利特·列维廷以及来自CHBE的研究生陈程使用x射线光电子能谱(XPS)研究了膜的降解。这项工作由GTRI, ChBE和劳伦斯伯克利国家实验室资助。
研究人员选择XPS是因为它是一种定量技术，使用x射线来测量化学元素的存在和数量，以及材料中化学键的形成和断裂。
富勒解释说:“当XPS经过降解过程时，我们能够看到膜上的化学差异。”“现在我们正试图弄清楚到底是什么限制或控制着退化的速度。”
这个溶液很困难，因为过氧化氢的形成只需要氢和氧。由于这些化学物质在燃料电池中很容易获得，过氧化氢可以通过多种方式产生。这个问题更加复杂，因为自由基的寿命很短，很难检测。
富勒将把新的不可降解膜的实际工程留给材料科学家，但他所学到的可以指导新膜应该具有什么特性，以及如何测试它们的降解性。
低温燃料电池的另一个挑战是燃料电池的阳极一侧可能会发生堵塞，可能是由于燃料通道中形成的水滴造成的。堵塞导致碳(用来支撑铂)被腐蚀，变成二氧化碳，燃料电池变成气体。频繁地启动和停止燃料电池也会导致这种模式的故障。
这对燃料电池来说是灾难性的，因为如果没有碳，铂催化剂层就会坍塌并消失。
富勒指出:“如果发生这种情况，燃料电池可以在几天内而不是几年内被摧毁。”
这一问题在非固定式燃料电池应用中更为常见，例如汽车在车辆启动和关闭时需要燃料电池启动和停止。
Fuller说:“研究人员知道这个问题的存在，但我们正试图建立基于物理的详细模型来评估不同的燃料电池设计，以减少这种类型的腐蚀易感性。”Fuller与丰田材料研究部门的Norimitsu Takeuchi以及学生Kevin Gallagher和David Wong在丰田的资助下共同研究这个项目。
该模型还可用于确定控制和缓解这一问题的方案，以找到更有效、更耐腐蚀的替代材料。
燃料电池循环的另一个问题是，由于阴极处的高电势和氧化环境，铂在酸性膜中的溶解度很小，但有限。
富勒解释说:“铂是燃料电池中最昂贵的部分之一，因此研究人员正在研究如何减少运行燃料电池所需的铂量。”“但如果燃料电池中铂的含量本来就比较少，那么它的溶解就损失不起。”
当铂层溶解时，通常会在膜内形成铂带。富勒、GTRI高级研究工程师加里·格雷(Gary Gray)和研究生吴碧(Wu Bi)开发了一个模型来预测铂金带会在哪里形成，以帮助理解为什么会发生这种情况。这项工作发表在3月份的《电化学与固态快报》上。
富勒说:“我们发现，铂也可以沉积在整个膜上，它可以移动到不同的地方，但每当它离开它应该在的地方，它就不再有效了。”
富勒的目标是通过模拟燃料电池系统中粒子的传输和热力学来了解这些非常小的铂粒子。这项工作由现代汽车公司资助。
哈特利基金会最近捐赠了20万美元，使富勒能够购买新的研究设备，继续研究燃料电池的退化，以及如何改善/延长这些能源设备的生命周期和技术。2022世界杯美洲区赛程表
“燃料电池故障可以通过许多不同的机制发生，”Fuller补充道。“这三个项目的结果表明，需要新材料、新制造工艺和新设计来提高燃料电池的耐用性，从而降低成本。”
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