燃料电池和改变游戏规则的技术可去除空气中99%的二氧化碳

特拉华大学的工程师已经展示了一种使用氢驱动的新型电化学系统从空气中有效捕获 99% 二氧化碳的方法。

这是二氧化碳捕获的重大进步，可以使更环保的燃料电池更接近市场。

由 UD 教授闫玉山领导的研究小组于2 月 3 日星期四在Nature Energy上报告了他们的方法。

改变游戏规则的燃料电池效率技术

燃料电池通过将燃料化学能直接转化为电能来工作。它们可用于混合动力或零排放车辆等交通工具。

Yan，Henry Belin du Pont 化学和生物分子工程主席，一段时间以来一直致力于改进氢氧化物交换膜 (HEM) 燃料电池，这是当今使用的传统酸基燃料电池的经济且环保的替代品。

但 HEM 燃料电池有一个缺点，使它们无法上路——它们对空气中的二氧化碳极为敏感。从本质上讲，二氧化碳使 HEM 燃料电池难以呼吸。

这一缺陷迅速将燃料电池的性能和效率降低了 20%，使燃料电池不比汽油发动机好。Yan 的研究小组 15 年来一直在寻找解决这一二氧化碳难题的解决方法。

几年前，研究人员意识到这一缺点实际上可能是一种解决方案——去除二氧化碳。

“一旦我们深入研究机制，我们意识到燃料电池几乎可以捕获进入它们的每一点二氧化碳，并且它们非常擅长将其分离到另一边，”研究助理教授布赖恩塞茨勒说。化学和生物分子工程和论文合著者。

虽然这对燃料电池不利，但该团队知道如果他们可以在燃料电池堆上游的单独设备中利用这种内置的“自吹扫”过程，他们可以将其变成二氧化碳分离器。

“事实证明，我们的方法非常有效。如果我们有正确的设计和正确的配置，我们可以一次从空气中捕获 99% 的二氧化碳，”Yan 说。

那么，他们是怎么做到的呢?

他们找到了一种将电化学技术的电源嵌入分离膜内的方法。该方法涉及内部短路​​设备。

“这是有风险的，但我们设法用氢来控制这种短路的燃料电池。通过使用这种内部电短路膜，我们能够摆脱笨重的组件，例如双极板、集电器或任何通常的电线在燃料电池堆中发现的，”Yan 小组的博士生、该论文的第一作者 Lin Shi 说。

现在，研究小组拥有了一种电化学装置，它看起来像用于分离气体的普通过滤膜，但能够像更复杂的电化学系统一样从空气中连续吸收微量的二氧化碳。

实际上，将设备的电线嵌入膜内创造了一条捷径，使二氧化碳颗粒更容易从一侧移动到另一侧。它还使团队能够在小体积内构建一个具有大表面积的紧凑型螺旋模块。换句话说，它们现在拥有更小的封装，能够一次过滤更多的空气，使其对燃料电池应用既有效又具有成本效益。同时，更少的组件意味着更低的成本，更重要的是，它提供了一种轻松扩大市场规模的方法。

研究小组的结果表明，一个 2 英寸乘 2 英寸的电化学电池可以连续去除以每分钟约 2 升的速度流动的空气中约 99% 的二氧化碳。研究人员说，一个大约 12 盎司汽水罐大小的早期原型螺旋装置能够每分钟过滤 10 升空气并清除 98% 的二氧化碳。

Setzer 说，根据汽车应用的规模，该设备的大小约为一加仑牛奶，但该设备也可用于去除其他地方的二氧化碳。例如，UD 专利技术可以在航天器或潜艇中实现更轻、更高效的二氧化碳去除装置，在这些地方持续过滤至关重要。

“我们对长期路线图有一些想法，可以真正帮助我们实现目标，”塞茨勒说。

Shi 表示，由于电化学系统是由氢驱动的，随着氢经济的发展，这种电化学装置也可以用于需要空气再循环作为节能措施的飞机和建筑物中。本月晚些时候，在完成论文答辩后，石将加入由严创立的 UD 衍生公司 Versogen，继续推进可持续绿色氢的研究。

Yan 实验室论文的合著者包括共同第一作者和研究助理赵云，他进行了对该设备进行测试必不可少的实验工作;为螺旋模块的设计和制造做出贡献的博士生 Stephanie Matz 和 UD 化学和生物分子工程的兼职教授 Shimshon Gottesfeld。Gottesfeld 是由高级研究计划署能源 (ARPA-E) 资助的 2019 年项目的首席研究员，该项目导致了这一发现。