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(fù)雜性，這阻礙了氫燃料補給站的推廣。



工程師們早就認(rèn)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(xué)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?xì)浠衔锶剂?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?xì)浠衔锱c高溫蒸汽發(fā)生反應(yīng)，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(xué)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(fù)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)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(dāng)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(xì)小的裂紋或微孔，就得重新開始。



六年前，達塔和他的學(xué)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(yīng)。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(xué)反應(yīng)，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(yīng)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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