科學家研發低成本催化劑,氫燃料電池成本有望降低

發佈日期: 2018 年 10 月 08 日 15:33 | 作者: | 分類: 產業資訊

美國威斯康辛大學麥迪遜分校(UW–Madison)近日透過低成本金屬與有機化合物,成功打造暨便宜又高效的氫燃料電池催化劑,能量輸出比傳統氫燃料電池高 20%,運作效率更比其他有機化合物燃料電池高 100 倍,有助於進一步降低氫燃料電池成本。

氫燃料電池研究至今已超過半世紀,其利用氫與氧的化學變化來產生電力,不會排放任何廢氣、只會產生少量水,然而大多氫燃料電池存有成本過高或效率太低等問題,這也是現在美國只有幾千輛氫燃料車的原因之一,該技術還需要更加努力才能達到大規模使用。

在氫燃料電池中,氫氣會從燃料電池陽極進入,氧氣由陰極進入電池。其中氫原子會透過陽極催化劑分解成質子與電子,電子再經由外電路形成電流抵達陰極;氧氣、氫質子與電子則會在陰極催化劑幫助下形成水分子,兩極的催化劑可說是燃料電池的命脈之一。

但目前市面上表現最佳的陽極催化劑含有貴金屬鉑,這讓氫燃料電池的成本一直以來居高不下,UW–Madison 化學教授 Shannon Stahl 表示,科學家也可以用較便宜的金屬來當作催化劑,但催化劑劑量得加大,反而讓過多催化劑附著在電極上、進而降低能源效率。

因此為提高氫燃料電池市場的競爭力,UW–Madison 團隊將成本較低的鈷金屬裝在氫燃料反應器(reactor)附近,就算使用大量的鈷也不會影響化學反應運作,之後再利用有機化合物醌當作媒介,將電子與質子運送到反應器中。

圖片來源:UW–Madison

在團隊提出的方案中,醌就像一輛自小客車,可同時乘載兩個電子和質子,可將他們從陽極運送到鈷催化劑中,並再返回接送更多「乘客」。該團隊也進一步利用醌衍生物改變醌類的結構,大幅延長有機化合物的壽命,減緩衰退成焦油狀物質的速度。

實驗指出,醌的連續運作時間可長達 5,000 小時,壽命與以往研究相比增加 100 多倍。Stahl 指出,雖然該技術並非最終解決方案,但團隊已提出全新的解決方法,新設計不僅讓氫燃料電池的能量輸出提高 20%,運作效率也比其他生物燃料電池高出 100 倍。

未來團隊下一步則是提高醌媒介的性能,讓他們能更有效地攜帶電子並產生更多的能量,這一研究將有助於氫燃料電池變成另一種低成本高效率技術,目前研究已發表在《Joule》。

(首圖來源:JOHN LLOYD via Flickr CC BY 2.0。文/DaisyChuang)

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