美國取得燃料電池研究突破 可減少鉑使用量製成低成本燃料電池

蓋世汽車訊 據外媒報導，美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）、加州理工學院（Caltech）和福特汽車公司的一組研究人員改進了燃料電池技術，而且讓該技術在效率、穩定性和功率方面都超過了美國能源部（DOE）設定的目標，而且目前還沒有其他燃料電池同時在此類方面達到同樣的裡程碑。

（圖片來源：加州大學洛杉磯分校）

該項最新突破可能實現一種新型可再生能源，能夠在白天利用太陽能將水（H2O）變成氫氣，在晚上又能夠將氫氣變回為水，同時還能夠提供電力。

研究人員表示，此次在性能上取得重大進展可能會為汽車和其他車輛引入一種廉價而實用的零排放能源技術，只會向大氣中排放水。該研究關注於微調微觀表面的細節，即發生化學反應提供能量的地方的細節。

與電池類似，燃料電池也能夠存儲能量。質子交換膜燃料電池（PEMFC）能夠從空氣中存儲的氫氣和氧氣的化學反應中獲取能量。此類氣體能夠在燃料電池內部結合，以提供電能，同時只排放水，不排放二氧化碳，因而使其非常環保。該項PEMFC技術有望成為汽車內燃機的清潔替代品，而內燃機會排放溫室氣體和汙染物。

不過，在該項燃料電池技術得以廣泛採用之前，還需要克服幾個障礙。其中一個主要的問題是，將氧氣還原成水的化學反應非常緩慢，需要大量且昂貴的鉑來啟動和維持這個反應。此外，雖然產生的水蒸氣遠好於碳排放，但是水蒸氣的出現會讓反應停止，因此必須迅速將水蒸氣轉移，以讓化學反應繼續進行。

在加州大學洛杉磯分校Samueli工程學院材料科學與工程系Yu Huang教授的帶領下，該團隊克服了幾個主要障礙，滿足了DOE的要求。首先，該團隊極大地加速了化學反應，大大減少了對昂貴鉑的需求量。此外，研究人員還發現了一種快速排出反應區多餘水分的方法。

該研究的第一作者、Huang教授團隊的博士後Zipeng Zhao表示，關鍵在於從納米尺度塑造碳載體的表面細節，讓流入的氧氣與流出的副產物水擁有完美的比例，從而最大限度地提高化學反應速率。

黃教授是加州大學洛杉磯分校納米系統研究所的成員，領導了燃料電池改進研究多年，其中包括改變燃料電池的形狀以大幅減少催化反應所需的鉑量，以及創造出新型納米結構，以提升燃料電池的效率。

黃教授最近的研究則是從零開始的工作，專注於微調碳支撐結構的表面，即化學反應發生的地方。雖然鉑本身會催化反應，但與周圍的碳相比，只佔十分之一的空間，這也意味著在大多數時候，氫氣、氧氣以及由此產生的水蒸氣都在碳表面附近。

黃教授表示：「該項研究最具挑戰性的部分就是，我們需要有一個堅實又可靠的基準來衡量我們的研究進展。我們花了近兩年的時間研發了一套可重複採用的工程技術以及優化協議，以製備燃料電池，這也使我們能夠從科學的角度研究催化劑層，並得到一個可靠的結論。」

另一個挑戰就是對燃料電池原子層獲得了解。為此，黃教授與加州理工學院化學、材料科學和應用物理系的Charles and Mary Ferkel教授William A. Goddard III長期合作，以對理想的微環境進行分子動力學模擬。