美国取得燃料电池研究突破 可减少铂使用量制成低成本燃料电池

据外媒报道，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）、加州理工学院（Caltech）和福特汽车公司的一组研究人员改进了燃料电池技术，而且让该技术在效率、稳定性和功率方面都超过了美国能源部（DOE）设定的目标，而且目前还没有其他燃料电池同时在此类方面达到同样的里程碑。

（图片来源：加州大学洛杉矶分校）

该项最新突破可能实现一种新型可再生能源，能够在白天利用太阳能将水（H2O）变成氢气，在晚上又能够将氢气变回为水，同时还能够提供电力。

研究人员表示，此次在性能上取得重大进展可能会为汽车和其他车辆引入一种廉价而实用的零排放能源技术，只会向大气中排放水。该研究关注于微调微观表面的细节，即发生化学反应提供能量的地方的细节。

与电池类似，燃料电池也能够存储能量。质子交换膜燃料电池（PEMFC）能够从空气中存储的氢气和氧气的化学反应中获取能量。此类气体能够在燃料电池内部结合，以提供电能，同时只排放水，不排放二氧化碳，因而使其非常环保。该项PEMFC技术有望成为汽车内燃机的清洁替代品，而内燃机会排放温室气体和污染物。

不过，在该项燃料电池技术得以广泛采用之前，还需要克服几个障碍。其中一个主要的问题是，将氧气还原成水的化学反应非常缓慢，需要大量且昂贵的铂来启动和维持这个反应。此外，虽然产生的水蒸气远好于碳排放，但是水蒸气的出现会让反应停止，因此必须迅速将水蒸气转移，以让化学反应继续进行。

在加州大学洛杉矶分校Samueli工程学院材料科学与工程系Yu Huang教授的带领下，该团队克服了几个主要障碍，满足了DOE的要求。首先，该团队极大地加速了化学反应，大大减少了对昂贵铂的需求量。此外，研究人员还发现了一种快速排出反应区多余水分的方法。

该研究的第一作者、Huang教授团队的博士后Zipeng Zhao表示，关键在于从纳米尺度塑造碳载体的表面细节，让流入的氧气与流出的副产物水拥有完美的比例，从而最大限度地提高化学反应速率。

黄教授是加州大学洛杉矶分校纳米系统研究所的成员，领导了燃料电池改进研究多年，其中包括改变燃料电池的形状以大幅减少催化反应所需的铂量，以及创造出新型纳米结构，以提升燃料电池的效率。

黄教授最近的研究则是从零开始的工作，专注于微调碳支撑结构的表面，即化学反应发生的地方。虽然铂本身会催化反应，但与周围的碳相比，只占十分之一的空间，这也意味着在大多数时候，氢气、氧气以及由此产生的水蒸气都在碳表面附近。

黄教授表示：“该项研究最具挑战性的部分就是，我们需要有一个坚实又可靠的基准来衡量我们的研究进展。我们花了近两年的时间研发了一套可重复采用的工程技术以及优化协议，以制备燃料电池，这也使我们能够从科学的角度研究催化剂层，并得到一个可靠的结论。”

另一个挑战就是对燃料电池原子层获得了解。为此，黄教授与加州理工学院化学、材料科学和应用物理系的Charles and Mary Ferkel教授William A. Goddard III长期合作，以对理想的微环境进行分子动力学模拟。