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我国科学家破解燃料电池的关键难题,规模化应用不远了
2020年07月14日 发布 分类:技术前沿 点击量:245
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燃料电池是继水力发电、热能发电和原子能发电的第四种发电技术。其洁净、高效、无污染的特点越来越引起关注。燃料电池技术成为国家能源发展战略的一个重点领域,高离子电导率的电解质开发,是解决目前燃料电池应用的关键。

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长期以来,提高电解质离子电导率的方法,是通过低价阳离子取代高价阳离子,如掺杂三价铱离子取代结构的四价锆离子,从而产生氧空位,进而提高了氧离子电导率。但是结构掺杂的方法,并没有有效解决燃料电池电解质面临的百年挑战,很大程度上阻碍了燃料电池的商业化进程。

最近,来自极速5分快三地质大学科研团队开发出一种使用高质子电导率电解质降低陶瓷燃料电池工作温度的方法——通过半导体异质界面电子态特性,把质子局限在异质界面,设计和构造了具有低迁移势垒的质子通道。在他们发表在《科学》杂志上的论文中研究小组描述了这种电解质以及在氢燃料电池中测试时电解质的工作情况极速5分快三地质大学材料与化学学院吴艳副教授为第一作者,朱斌教授和宋怀兵副研究员为共同通讯作者

使用高质子电导率电解质降低陶瓷燃料电池工作温度 

设计和构造具有最低迁移势垒的超质子高速通道(A, B);获得极其优异的质子电导率(较传统钇稳定二氧化锆电解质材料的电导率提升了约3个数量级(C); 实现了先进燃料电池示范,在520摄氏度,输出超过1000毫瓦/平方厘米的功率密度(D)。

而在同期杂志上,分别来自香港理工大学和南京工业大学的倪萌和邵宗平也发表了一篇观点文章,概述了对低温运行的陶瓷燃料电池的需求,并进一步解释了该团队所做的工作。文章中,倪萌邵宗平指出降低陶瓷燃料电池的工作温度可有效提高燃料电池的耐久性和效率,同时也使成本更低——目前有两种方法可供选择:一是使电解质变薄以降低电阻;二是开发新的电解质。在这项新的研究中,研究人员选择了第二种方法,开发了一种由NaxCoO2-CeO2合材料组成的新电解质。测试表明,当电解质被加热到370到520℃之间时,其导电率为0.1至0.3 S/cm。为了更全面地测试电解液,研究人员用它构建了一个氢燃料电池,并发现其每厘米可输送1瓦特的电能。他们还指出,该装置可作为电解槽运行,通过反向运行来生产氢气。

“在传统质子传导材料里,质子需要克服巨大的能垒,通过氧空位跳跃前行。我们的研究如同给质子修建高速公路,即利用半导体异质界面场诱导金属态,助推超质子实现又快又好地‘跑起来’,从而获得优异的电导率。”吴艳说,这与传统电解质材料电导率相比,提升了3个数量级,并且实现了先进质子陶瓷燃料电池的示范。

半导体异质结构和场诱导加速离子迁移,是能源科学领域具有挑战性的研究课题。该研究成果为质子限域传输提供了创新科学方法,将促进新一代燃料电池研究和发展,对发展能源新材料和新技术具有重要科学意义和应用价值。

资料来源:楚天都市报

phys.org

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