燃料電池通常用于從氫或甲醇產(chǎn)生電能。納米催化劑推動(dòng)了這一過程——但到目前為止，這些材料的質(zhì)量差異很大。

Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP 的CAN研究部門消除了這些問題：采用優(yōu)化的催化劑和連續(xù)、可再生的生產(chǎn)工藝，并對(duì)材料性能進(jìn)行了很好的控制。



氫是一個(gè)未來的問題——例如，氫驅(qū)動(dòng)器旨在以一種有意義的方式補(bǔ)充電動(dòng)性。燃料電池有助于將儲(chǔ)存在氫氣或甲醇中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為可用電能，即發(fā)電。基于鉑的納米催化劑用于在可管理的溫度和合理的能量輸入下實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。以前的生產(chǎn)方法都是基于分批合成，對(duì)顆粒的大小、形狀和組成控制不足。然而，這些參數(shù)對(duì)催化過程有很大的影響。納米顆粒特別適合用作催化劑，因?yàn)橄鄬?duì)于所用材料的數(shù)量，它們具有較大的表面積。因此，它們的使用節(jié)省了材料和成本。問題是傳統(tǒng)催化劑材料的質(zhì)量可能會(huì)有很大的差異。

從未間斷的研究和可利用性產(chǎn)品

Fraunhofer IAP 研究部門的科學(xué)家現(xiàn)在可以開發(fā)出穩(wěn)定高效的催化劑并優(yōu)化其生產(chǎn)工藝——這是由德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)和能源部BMWi資助的HiKAB項(xiàng)目，簡稱“用于燃料電池的分層復(fù)合納米顆粒系統(tǒng)”（FKZ 03ET1435A）。“我們已經(jīng)將批量生產(chǎn)過程轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)生產(chǎn)過程，”Fraunhofer IAP 部門主管Christoph Gimmler博士說。“在這樣做的過程中，我們依靠自下而上的過程——一個(gè)原子一個(gè)原子地構(gòu)建納米顆粒。這樣，我們不僅可以通過合成指導(dǎo)生產(chǎn)出一致、高質(zhì)量的納米顆粒，還可以選擇性地調(diào)整催化劑顆粒的大小、類型和組成。”在研究小組開發(fā)和建造的反應(yīng)器中，該合成過程持續(xù)運(yùn)行——特別是臨界成核階段。它的特別之處在于研究小組在空間和時(shí)間上將成核階段與生長階段分開，通過這種方式可以很好地控制反應(yīng)溫度。這使得研究人員還對(duì)催化劑材料本身進(jìn)行了優(yōu)化。“我們已經(jīng)用一種不那么貴、因而也不那么昂貴的金屬取代了部分鉑。” Gimmler指出，這不僅對(duì)材料成本有積極的影響，而且還能使催化劑更有效地工作并延長其使用壽命。

目前已經(jīng)提供了概念證明：研究人員已經(jīng)在直接甲醇燃料電池中測(cè)試了生產(chǎn)的催化劑，并取得了成功。在長期測(cè)試中，他們現(xiàn)在將準(zhǔn)確分析新材料和優(yōu)化的生產(chǎn)工藝在節(jié)約成本方面能提供多少。從最初的測(cè)量結(jié)果可以清楚地看出，所開發(fā)的催化劑對(duì)于氫燃料電池也是非常有趣的。

分析材料的系統(tǒng)性

到目前為止，研究小組在HiKAB項(xiàng)目中開發(fā)的催化劑材料只能進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試。在由科學(xué)、研究、平等和地區(qū)管理局（BWFGB）資助的ProkAB項(xiàng)目中，F(xiàn)raunhofer IAP 現(xiàn)已建立了一個(gè)用于常規(guī)測(cè)量的燃料電池試驗(yàn)臺(tái)。“我們已經(jīng)擴(kuò)大了我們的表征譜，現(xiàn)在能夠在燃料電池水平上測(cè)試我們開發(fā)的材料，”Gimmler報(bào)道。“可以說，這使我們能夠進(jìn)行試金石試驗(yàn)——畢竟在系統(tǒng)層面比在實(shí)驗(yàn)室發(fā)揮作用的參數(shù)更多。”因此Fraunhofer IAP 不僅提供了材料開發(fā)方面的專業(yè)知識(shí)，而且還提供了燃料電池特性方面的專業(yè)知識(shí)。

Fraunhofer IAP 的氫能研究

開發(fā)穩(wěn)定高效的燃料電池催化劑是Fraunhofer IAP作為氫戰(zhàn)略的一部分所追求的活動(dòng)之一。“通過我們的研究，我們正在推動(dòng)可再生能源的使用。除了用于燃料電池的催化劑和膜外，重點(diǎn)還在于能夠產(chǎn)生和儲(chǔ)存氫氣的創(chuàng)新材料。例如，我們的輕型結(jié)構(gòu)專家目前正在與合作伙伴開發(fā)小型高效風(fēng)力渦輪機(jī)，以及可以安全存儲(chǔ)氫氣的儲(chǔ)氫罐。”Fraunhofer IAP 主任教授Alexander Böker表示。