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稳定+高性能,韩国一研究小组开发新型陶瓷燃料电池

   日期:2021-02-25     来源:氢能观察    浏览:803    评论:0    
氢能观察消息,近日韩国的一个研究小组开发出一种陶瓷燃料电池,将所需的催化剂量减少20倍并能够兼顾稳定性与高性能,有效延缓电池老化时间。

这一进步有助于扩展陶瓷燃料电池的引用范围。由于需要频繁启动,到目前为止陶瓷燃料电池仅仅应用于大规模发电。借助这一新技术,电动汽车、机器人和无人机等领域也将有机会使用陶瓷燃料电池。

韩国科学技术研究院宣布,能源材料研究中心的孙智元博士(Dr.Ji-Won Son)领导的团队,通过与韩国高级科学技术研究院的 Seung Min Han 教授联合研究,已经开发出一种新技术——通过使用薄膜技术显著减少阳极中镍催化剂的数量和尺寸,抑制氧化还原反应循环带来的老化,这是陶瓷燃料电池退化的一个主要原因。

陶瓷燃料电池是高温燃料电池的代表,一般在零下800摄氏度或更高的高温下工作。因此,相对于使用昂贵铂催化剂的低温聚合物电解质燃料电池,可以在这些电池中使用廉价的催化剂,如镍。镍通常约占陶瓷燃料电池阳极体积的40% 。然而,由于镍团聚体在高温下,当陶瓷燃料电池暴露于伴随停止-再启动循环的氧化和还原过程,不可控制的膨胀发生。这导致了整个陶瓷燃料电池结构的破坏。这个致命的缺点已经阻止了由陶瓷燃料电池产生电力的应用,需要频繁的启动。

陶瓷燃料电池氧化还原循环概念图及新旧燃料电池老化率的比较

为了克服这个问题,韩国科技技术研究院的孙智元博士的团队开发了一种新的阳极概念,其含镍量显著减少,仅为传统陶瓷燃料电池的1/20。这种减少的镍含量使得阳极中的镍粒子能够彼此隔离。为了补偿镍催化剂的减少量,通过实现阳极结构,使用薄膜沉积工艺将镍纳米颗粒均匀地分布在陶瓷基体中,从而大大提高了镍的表面积。

在使用这种新型阳极的陶瓷燃料电池中,与传统的陶瓷燃料电池相比,陶瓷燃料电池即使经过100多个氧化还原反应循环,也没有出现老化或性能下降的情况,而传统的陶瓷燃料电池经过不到20次循环就失效了。此外,尽管镍含量大幅度降低,新型阳极陶瓷燃料电池的功率输出比传统电池提高了1.5倍。

孙智元博士解释了这项研究的重要性,他说: “我们对新型阳极燃料电池的研究是系统地进行从设计到实现和评估的每一个阶段,基于我们对陶瓷燃料电池破坏的主要原因之一的氧化还原反应失效的理解。”

孙博士还评论说: “将这些陶瓷燃料电池应用于发电厂以外的领域的潜力是巨大的,比如移动性。”

这项研究得到了 KIST 的机构研究项目全球多尺度能源系统研发前沿中心和科学与信息技术部(MSIT)中期职业研究项目的资助。研究结果发表在《材料学报》(Acta Materialia)上,这是一本在冶金学领域获得高度认可的期刊。
 

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