由工程师开发的更高效的燃料电池

理想情况下，替代能源将补充大量系统来存储和分配电力-想想类固醇电池。可逆燃料电池已被设想为一种这样的存储解决方案。

燃料电池使用氧气和氢气作为燃料来发电;如果该过程反向运行，燃料电池也可用于储存电力。

斯坦福大学材料科学与工程助理教授，斯坦福大学材料与研究所成员WilliamChueh说：“你可以利用风能或太阳能将电能分解成反向运行的燃料电池中的氢气和氧气。”SLAC国家加速器实验室的能源科学。“氢可以储存，然后在燃料电池中使用，以便在夜间或风不吹时发电。”

但是，与他们寻求补充的可再生能源一样，燃料电池也有一个缺点：将水切割成氢气和氧气或将它们重新连接到水中的化学反应尚不完全清楚-至少不能达到所需的精确度使实用级存储系统切实可行。

现在，Chueh与SLAC，劳伦斯伯克利国家实验室和桑迪亚国家实验室的研究人员合作，以一种新的重要方式研究了燃料电池中的化学反应。

Chueh和他的团队在NatureCommunications上发表的一篇论文中描述了他们如何观察特定类型的高效固体氧化物燃料电池中的氢氧反应，并使用已知的粒子加速器对该过程进行了原子尺度的“快照”。作为同步加速器。

从这种首次分析中获得的知识可能会导致更高效的燃料电池，从而可以使公用事业规模的替代能源系统更加实用。

电子的作用

在典型的燃料电池中，阳极和阴极通过气密膜隔开。在阴极处引入氧分子，其中催化剂将它们分解成带负电的氧离子。然后这些离子进入阳极，在那里它们与氢分子反应形成细胞的主要“废物”产物：纯水。为了进行这两种反应，电子也需要进行旅程：电子被添加到阴极并从阳极移除。通常，电子被吸引到阴极并且离子被吸引到阳极，但是当离子直接通过膜时，电子不能穿透它;他们被迫通过一条可用于从汽车到发电厂运行任何东西的电路来绕过它。

因为电子做燃料电池的指定“工作”，所以它们被普遍认为是关键的功能组件。但斯坦福大学预科能源研究所的中心研究员Chueh表示，离子流动同样重要。

“电子和离子构成了许多电化学过程中的双向交通模式，”Chueh说。“燃料电池需要在催化剂上同时转移电子和离子，电子和离子'箭头'都是必不可少的。”

Chueh说，电化学过程(如腐蚀和电镀)中的电子转移相对比较清楚，但离子流仍然保持不透明。这是因为最好研究离子转移的环境-燃料电池内部的催化剂-不利于探究。

固体氧化物燃料电池在相对高的温度下运行。已知某些材料可制成优异的燃料电池催化剂。氧化铈或氧化铈特别有效。氧化铈燃料电池可以在600摄氏度下嗡嗡作响，而掺入其他催化剂的燃料电池必须在800摄氏度或更高温度下运行以获得最佳效率。Chueh说，那些200度代表了巨大的差异。

“快速化学反应需要高温，”他说。“但是，一般来说，温度越高，燃料电池组件的速度就会越快降低。因此，如果能够降低工作温度，这是一项重大成就。”

它为什么有效?

但是，虽然氧化铈确立了自己作为燃料电池催化剂的金标准，但没有人知道为什么它如此有效。而且缺乏数据是很麻烦的：更好的理解可以导致制造更好的催化剂。所需要的是流过催化材料的离子的可视化。但是，你无法将电子显微镜完全固定在燃烧室全脉冲运行的脉冲红热心脏中。

“人们多年来都试图观察这些反应，”Chueh说。“找出一种有效的方法非常困难。”

Chueh和他在Berkeley，Sandia和SLAC的同事们在他们的NatureCommunications论文中将水分解为氧化铈燃料电池中的氢气和氧气(反之亦然)。当燃料电池运行时，他们应用伯克利实验室先进光源产生的高亮度X射线照亮氧离子在催化剂中的路径。通过访问ALS工具和工作人员的合作，研究人员可以创建“快照”，揭示为什么二氧化铈是一种极好的催化材料：矛盾的是，它有缺陷。

“在这种情况下，'有缺陷'的材料是一种具有很多缺陷的材料-或者更具体地说，缺少氧原子-在原子尺度上，”Chueh说。“对于燃料电池催化剂，这是非常需要的。”

他说，这种氧气“空位”允许更高的反应性和更快的离子传输，这又转化为加速的燃料电池反应速率和更高的功率。

Chueh说：“事实证明，一种不良的催化材料是原子非常密集的材料，就像用于八球比赛的台球一样。”“这种紧密结构会抑制离子流动。但离子能够利用二氧化铈中的大量空位。我们现在可以探测这些空位;我们可以确定它们对离子转移的贡献程度和程度。这具有重大意义。当我们能够跟踪纳米级催化材料的情况，我们可以让它们变得更好-并最终制造出更好的燃料电池，甚至电池。“

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