新的膜技術(shù)可能使氫燃料電池汽車成為可能

新的膜技術(shù)可能使氫燃料電池汽車成為可能

雖然氫燃料電池驅(qū)動的汽車提供明確的優(yōu)勢越來越受歡迎的電動汽車(包括他們的時間范圍，降低總體環(huán)境影響，事實上，他們可以在幾分鐘內(nèi)加油，和小時的充電時間)，他們與消費者還沒有起飛。



其中一個原因是生產(chǎn)、分配和儲存為其提供動力所需的純氫的高成本和復雜性，這阻礙了氫燃料補給站的推廣。



工程師們早就認識到氫的能量和無限的可用性，氫是宇宙中最豐富的元素。



氫自然存在于環(huán)境中，但它幾乎總是與其他元素發(fā)生化學結(jié)合——例如，與水中的氧(H2O)或甲烷中的碳(CH4)。



要得到純氫，必須從這些分子中分離出來。實際上，美國生產(chǎn)的所有氫都是通過蒸汽重整從碳氫化合物燃料(主要是天然氣)中獲得的。蒸汽重整是一個多步驟的過程，在催化劑的存在下，碳氫化合物與高溫蒸汽發(fā)生反應，生成一氧化碳、二氧化碳和分子氫(H2)。



然后，氫可以通過一個繁瑣的、多步驟的化學過程從其他氣體中分離出來，但使用薄膜進行分離可以降低生產(chǎn)氫的成本和復雜性。目前正在開發(fā)的大部分氫分離膜都使用貴金屬鈀，鈀具有異常高的氫溶解性和滲透性(這意味著氫很容易溶解并穿過金屬，而其他氣體則被排除在外)。但鈀價格昂貴(目前每盎司售價約為900美元)且易碎。



由于這些原因，化學工程師們一直在尋找用于氫分離膜的鈀的替代品，但到目前為止，還沒有合適的替代品出現(xiàn)。



許多金屬和合金在蒸汽重整系統(tǒng)(大約500攝氏度)的標準操作溫度下都是液態(tài)的，其中大多數(shù)都比鈀便宜得多。此外，由液態(tài)金屬薄膜制成的膜不應容易出現(xiàn)使鈀膜不能使用的缺陷和裂紋。液態(tài)金屬比鈀膜似乎也更有效分離純氫氣從其他氣體。

新的膜技術(shù)可能使氫燃料電池汽車成為可能

現(xiàn)在的電動汽車的能量是不可逆轉(zhuǎn)的，繼電動汽車之后的下一步是氫燃料汽車——如果氫供應難題得到解決的話。和電池驅(qū)動的電動汽車一樣，燃料電池汽車也有電動機。當氫和氧在催化劑(唯一的“廢物”是水)的作用下結(jié)合時，發(fā)動機由燃料電池內(nèi)部產(chǎn)生的電力提供動力。雖然汽車可以從空氣中吸收氧氣，但必須攜帶純氫。



許多研究人員致力于通過制造更好更薄的鈀膜來降低氫的成本。鈀層變薄可以增加膜的通量，或者純氫通過膜的速度。但是如果薄膜太薄，它就會變得脆弱，或者產(chǎn)生缺陷。如果它們出現(xiàn)細小的裂紋或微孔，就得重新開始。



六年前，達塔和他的學生開始思考液態(tài)金屬是否能克服鈀的某些限制——尤其是它的成本和



除了化學親和，滲透還取決于金屬晶體結(jié)構(gòu)的開放程度。液態(tài)金屬原子間的空間比固態(tài)金屬大，所以它們的溶解性和擴散性應該更高。



鎵是一種在室溫下是液態(tài)的無毒金屬，是一個很好的候選者，因為它在高溫下的氫透過率明顯高于鈀。事實上，實驗室研究和理論建模表明，一些在較高溫度下是液態(tài)的金屬可能比鈀具有更好的氫滲透性。



盡管液態(tài)鎵作為氫分離材料顯示出了巨大的潛力，但事實證明，用這種金屬制造一種功能薄膜頗具挑戰(zhàn)性。事實上，液態(tài)金屬具有很強的反應性。不能把鎵放在多孔金屬支架上，因為在更高的溫度下，鎵會迅速形成金屬間化合物，殺死滲透性。這種金屬還會與一些常用作鈀膜支撐的陶瓷材料發(fā)生反應。通過模擬和實驗，包括碳基材料如石墨和碳化硅，與液體鎵但不發(fā)生化學反應，也可與水混合的液態(tài)金屬，這意味著金屬將展開支架材料上形成薄膜。



意識到液體金屬的表面張力在應對變化可能會改變溫度和氣體的成分他們接觸，可能產(chǎn)生泄漏，插入兩層之間的金屬支架材料來創(chuàng)建一個夾在液態(tài)金屬薄膜或SLiMM。在碳化硅層和石墨層之間構(gòu)建了一層由液體鎵組成的薄膜(十分之二毫米)，并對其穩(wěn)定性和氫滲透性進行了測試。

新的膜技術(shù)可能使氫燃料電池汽車成為可能

膜被暴露在氫氣氛兩周在溫度從480到550攝氏度。液體鎵電影35倍的滲透比一層類似的鈀氫，氫的擴散通過夾膜是典型的鈀膜高出許多。這些膜是選擇性的，只允許氫通過。液態(tài)金屬可能是氫分離膜的合適候選材料，這些材料可能是長期以來尋找的鈀的替代品。



有許多問題仍然需要回答，包括小膜是否可以擴大我們在實驗室構(gòu)建和膜是否會抵抗物質(zhì)出現(xiàn)在改革后的氣體(包括一氧化碳和硫)已知的毒藥鈀膜。但是通過展示夾液態(tài)金屬薄膜的可行性，我們已經(jīng)打開了門極有前途的新領(lǐng)域的氫能源研究，還有許多其他的金屬和合金，除了鎵，液體在500攝氏度時，它是一個可能使用的材料。

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