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中国台湾燃料电池技术为什么能够获得巨大突破

2019-05-15   点击量:12

1、台湾燃料电池技术的巨大飞跃


台湾新竹——科学家们长期以来一直在努力开发高性能燃料电池作为电动汽车的环保动力。然而,国立清华大学工程与系统科学系(台湾国立清华大学)陈赞耀教授最近取得重大突破,利用超声波在各种材料的表面形成细小的凹槽,再加上原子尺度的铂催化剂,可以使碱性燃料电池效率加倍(AFCS)。


为何中国台湾这么行?燃料电池技术能够获得巨大突破


这种原子级催化剂使氧还原(阴极反应)电流强度增加了10倍,连续运行8个月不发生降解,同时生产成本降低了90%;这种电池的寿命达到2-3年。这项突破性的研究已经发表,并在2月份的《自然通讯》上被选为能源材料的焦点论文。陈教授说,他目前正在开发一种催化剂中的量子尺寸相关性,使电池更便宜、更高效。


为何中国台湾这么行?燃料电池技术能够获得巨大突破


2、探索原子尺度的边界


燃料电池是将化学能转化为电能的发电装置。AFC比酸性电池更安全、更高效,因此广泛应用于航天器和卫星。催化剂是燃料电池性能的关键组成部分。陈教授说,影响催化剂效率的因素很多,特别是催化剂的粒径。在相同体积下,催化剂颗粒越小,表面积越大,性能越高。然而,如果粒子太小,它们就会变得不稳定,并迅速失去效率。因此,研究人员面临的挑战是找到一种减小尺寸和提高稳定性的方法。


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3、灵感来自对咖啡汽水的热爱


陈说,咖啡汽水在战略上激励了他。2016年,他在与一家咖啡店老板聊天时发现,根据咖啡和苏打水倒入玻璃杯的顺序,咖啡的甜味、味道和气泡的数量是非常不同的。结果,他让他的研究助理颠倒了晶体生长的顺序。与传统的方法不同,他们每10秒添加一次新材料,仅在几秒钟内停止反应,从而产生铂三聚体催化剂。


为何中国台湾这么行?燃料电池技术能够获得巨大突破


4、降低成本、提高效率和延长寿命


不足为奇,陈的学生起初对他的非正统做法有些怀疑。经过上百次的失败,他们最终制造出了铂三聚体催化剂,该催化剂在保持AFC高活性的同时保持稳定。陈说,他的原子催化剂中铂的含量只有1%,而平均商用催化剂中铂的含量为35%;质量电流密度增加了30倍。


5、碱性燃料电池(AFCS)


燃料电池主要根据其使用的电解质分类。这一分类决定了电池中发生的电化学反应的类型、所需催化剂的类型、电池工作的温度范围、所需燃料以及其他因素。这些特性反过来影响这些类型的适用范围。目前正在开发的几种类型的燃料电池,都有其自身的优势、局限性和潜在的应用领域。


碱性燃料电池(AFCS)是最早发展起来的燃料电池技术之一,也是美国太空计划中广泛用于生产电能和水的第一种类型。这些燃料电池使用氢氧化钾水溶液作为电解质,可以使用各种非贵金属作为阳极和阴极的催化剂。近年来,以聚合物膜为电解质的新型电池得到了发展,这些燃料电池与传统的质子交换膜燃料电池有着密切的关系,只是它们使用的是碱性膜而不是酸性膜。AFCS的高性能是由于电池中发生电化学反应的速度。他们还证明了空间应用的效率超过60%。


为何中国台湾这么行?燃料电池技术能够获得巨大突破


6、催化剂降低燃料电池成本的必经之路


燃料电堆是燃料电池系统的核心,包括催化剂(36%)、质子交换膜(12%)和双极板(23%)合计占到燃料电堆成本的近70%,是成本降低的主要突破点。


为何中国台湾这么行?燃料电池技术能够获得巨大突破


目前主要的技术改进降低催化剂成本成为降低燃料电池堆的关键点:即降低铂催化剂用量,根据国际上相关规划,到2020年单体金属铂用量将降至50克左右,并最终降至单体20克,这将直接降低燃料电池总成本的30%左右。


钜大特种电池工程研究院

钜大特种电池工程研究院

钜大特种锂离子电池工程研究中心是由东莞钜大电子有限公司兴建,并与中南大学、华南理工大学和东莞理工学院相关科研团队联合运营的特种锂离子电池产业化研发中心,研究中心秉持"以特殊环境、特殊用途和特殊性能的需求为导向,以产学研深度融合为创新驱动"的办院方针,力求满足用户独特的需要,从而为用户创造独特的价值。