最新Nature Energy：近100% CO2去除率！短路膜EDCS助力HEMFCs

成果简介

在2022年2月3日，美国特拉华大学严玉山教授和Brian P. Setzler（共同通讯作者）等人在Nature Energy上发表最新论文，该文题为“A shorted membrane electrochemical cell powered by hydrogen to remove CO₂ from the air feed of hydroxide exchange membrane fuel cells”。

最新Nature Energy：近100% CO2去除率！短路膜EDCS助力HEMFCs

氢氧化物交换膜燃料电池（HEMFCs）的碱性环境可能允许在器件中使用具有成本效益的催化剂和双极板，但是HEMFCs的性能会受到环境空气进料中存在的CO₂的不利影响。

基于此，作者报道了一种内部短路的HEMFC，它可以放大为紧凑的电化学驱动的CO₂分离器（electrochemically driven CO₂ separator, EDCS）模块，用于去除CO₂。通过向膜中引入碳基材料制备短膜，其中碳纳米管（CNTs）和Vulcan XC-72R均被证明是合适的添加剂。作者展示了短路膜EDCS的性能可以通过氢气浓度成功控制，从而使EDCS能够响应动态条件。具有25 cm²活性面积的优化短路膜EDCS单电池表现出与普通EDCS相当的性能，在400 ppm CO₂的条件下，可以擦洗超过99%的CO₂，最高可擦洗3000标准cm³/min（sccm）的空气。

作者还表明短路膜EDCS可以在超过450 h的连续运行中保持2000 sccm空气中超过99%的CO₂去除率。此外，作者进一步设计并组装了一个具有2200 cm²有效面积的螺旋缠绕模块，可以从 10000 cm³的空气中去除98%以上的CO₂。作者还对该模块进行了深入的技术经济分析，显示80 kW_net HEMFC stack在99%的CO₂去除率下的总成本为112美元。

背景介绍

氢氧化物交换膜燃料电池（HEMFCs）是一种有效的质子交换膜燃料电池（PEMFCs）替代品，有望达到每千瓦30美元的系统成本目标。然而，还有一个主要障碍是大气CO₂的有害影响，其很容易与HEMFC正极处的氢氧根阴离子反应形成碳酸盐，从而由于碳酸盐积聚的负极处的pH值降低而导致电池性能显着下降，并且在较小程度上，聚合物电解质的离子电导率降低。从空气中去除CO₂的传统方法，例如使用固体吸附剂的不可逆CO₂封存等，无法满足系统简单性的要求，尤其是在运输应用中。

基于带有阴离子导电膜的氢动力电池的电化学驱动CO₂分离器（EDCS）被开发用于HEMFC应用，在低氢消耗下表现出良好的CO₂分离效率。但只要EDCS使用双极板、集电器和负载控制系统等燃料电池组件，考虑到应用定义的体积和成本限制，扩大EDCS并将其集成到HEMFC电力系统中仍然是一个挑战。为了将EDCS完全从传统的燃料电池组件中释放出来，作者通过可以同时传输阴离子和电子的短路膜对EDCS进行内部短路。这种短路膜方法的优点是，允许催化膜像传统气体或液体分离膜一样被封装到螺旋缠绕模块中，该模块具有较高的分离面积与体积比，且结构紧凑。然而，短路的膜配置也带来了挑战，例如控制电流密度。

图文速递

最新Nature Energy：近100% CO2去除率！短路膜EDCS助力HEMFCs

图1. CO₂对HEMFC性能的影响

图2. 短路膜EDCS的工作原理

图3. 短路膜的制备及性能

图4. 氢气供应控制的短路膜EDCS

图5. 短路膜EDCS的性能和耐用性

图6. 螺旋缠绕EDCS模块的演示

图7. EDCS模块的经济效益分析

小结

综上所述，作者开发了一种短路膜EDCS，它可以从进入下游HEMFC stack的空气进料中去除超过99%的CO₂，而H2消耗量小于该堆的2%。这种类型的EDCS可以扩大规模，例如扩大到紧凑的螺旋缠绕模块，因为它不使用双极板或集电器等燃料电池组件，因此预计每千瓦的成本仅为1.4美元。通过添加碳添加剂制备短路膜，并且通过H₂进料速率控制电流被证明对这种短路膜电池有效。通过优化的电池构建和操作条件，25 cm²活性面积的短路膜EDCS在连续450 h的操作中从2000 sccm空气中去除超过99%的CO₂，EDCS空气中每小时平均增加约6 ppb的CO₂排气流。对于1000到3000 sccm 之间的空气流速变化，证明了没有任何超调的快速动态响应。

作者设计并制造了螺旋缠绕EDCS模块的早期原型，该模块可从10000 sccm的气流中去除98%的CO₂。作者还对用于80 kW_net HEMFC stack的EDCS模块进行了TEA，在99%的CO₂去除率下，总成本为112美元（每千瓦1.4美元）。这种EDCS技术使HEMFC技术更接近市场，并且可以进一步开发用于其他应用，例如航天器或核潜艇的生命支持，其中氢气很容易获得，飞机和建筑物需要增加空气再循环以节省能源和氢气可能随着氢经济的发展而变得可用。

文献信息

A shorted membrane electrochemical cell powered by hydrogen to remove CO₂ from the air feed of hydroxide exchange membrane fuel cells.Nature Energy, 2022, DOI: 10.1038/s41560-021-00969-5.

https://doi.org/10.1038/s41560-021-00969-5.

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