新技术突破有望扭转氢燃料电池的成本困境

随着全球向可再生能源的转变势头强劲，出现了一个关键挑战：如何在太阳能和风能不可用的时期有效储存能源。通过合作研究实现的氢燃料电池技术突破，通过用银替代催化剂中的铂金属，大幅降低了成本，标志着向经济实惠、高效的绿色能源存储迈出了重要一步。

得益于能源部 SLAC 国家加速器实验室、斯坦福大学和丰田研究院 (TRI) 的基础研究，氢燃料电池这一领先的竞争者刚刚获得了巨大的推动，斯坦福大学和以色列理工学院合作开发出一种燃料电池装置，该研究最近已转化为实践。

SLAC 和斯坦福大学联合 SUNCAT 界面科学与催化中心的副科学家 Michaela Burke Stevens 表示：“氢燃料电池在能量存储和转换方面确实具有巨大的潜力，它可以使用氢作为汽油等的替代燃料，但食用燃料电池仍然相当昂贵。”

伯克·史蒂文斯 (Burke Stevens) 表示，问题在于燃料电池通常依赖于含有昂贵铂族金属 (PGM) 的催化剂，以促进化学反应，从而使系统正常工作。这促使伯克·史蒂文斯和她的同事寻找使催化剂更便宜的方法，但对燃料电池的化学成分进行如此根本性的改变是一项艰巨的挑战：科学家经常发现在他们的小型实验室设置中起作用的催化剂并不奏效。

这一次，研究人员通过用更便宜的替代品白银部分替代铂族金属来平衡成本。但真正的关键是简化将催化剂添加到电池电极上的化学配方。

沉积在多孔碳电极上的银钯薄膜的插图，研究人员认为这可以使氢燃料电池的制造更容易、成本更低。图片来源：José Zamora Zeled?n、John Douglin 和 Michaela Burke Stevens

科学家通常将催化剂混合到液体中，然后将其铺展到网状电极上，但这些催化剂配方在不同的实验室环境中使用不同的工具并不总是以相同的方式发挥作用，这使得将工作转化为现实世界的应用变得困难。“湿化学工艺对于实验室条件而言并不是特别有弹性，”SUNCAT 总监 Tom Jaramillo 说道，正是该公司使此次合作成为可能。

为了解决这个问题，SLAC 团队使用真空室来更受控地将新催化剂沉积到电极上。“这种高真空工具是一种‘所见即所得’类型的方法，”Jaramillo说。“只要你的系统校准得好，原则上人们就可以很容易地重现它。”

为了确保其他人能够复制他们的方法并将其直接应用于全尺寸燃料电池，该团队与以色列理工学院的专家合作，他们证明了该方法在实际的燃料电池中有效。

“这个项目并不是为了在这里进行燃料电池测试而设立的，因此我们非常幸运。”该项目的斯坦福大学研究生 José Zamora Zeled?n 与达里奥·德克尔 (Dario Dekel) 和他在以色列理工学院的博士生约翰·道格林 (John Douglin) 建立了联系，他们的目的是测试实际的燃料电池，因此这是一个非常好的资源组合，

两个团队共同发现，通过用更便宜的银替代以前催化剂中使用的一些铂族金属，他们可以以低得多的价格实现同样有效的燃料电池——现在他们有了一种行之有效的催化剂开发方法，借此可以开始测试更雄心勃勃的想法。

“我们可以尝试完全不含铂族金属，”Jaramillo 说，他是以色列理工学院化学工程教授兼大以色列理工学院能源项目主任，他对此次合作的潜力同样感到兴奋。“这对于燃料电池的研究以及燃料电池行业的实际催化剂开发都有很大的好处，”他说。

展望未来，此类研究将决定燃料电池是否能够发挥其潜力。燃料电池对于重型运输和清洁能源存储来说确实令人兴奋且有趣，但最终还是要降低成本，这就是这项合作的目的。