燃料电池的工作原理是将燃料化学能直接转化为电能，可用于混合动力或零排放车辆等交通工具。氢氧根交换膜燃料电池（HEMFC）是一种经济和环境友好的替代传统的酸基燃料电池，但它对空气中的二氧化碳极其敏感，基本上二氧化碳使HEM燃料电池难以呼吸。这一缺陷迅速降低了燃料电池的性能和效率，最高可达20%，使得燃料电池与汽油发动机无异。
在这里，美国特拉华大学严玉山和Brian P. Setzler团队发表在《Nature Energy》上的“A shorted membraneelectrochemical cell powered by hydrogen to remove CO2 from the air feed ofhydroxide exchange membrane fuel cells” 演示了一种电化学驱动的CO2分离器(EDCS)，它利用一种既能导电负离子又能导电电子的短膜从进气中去除CO2。这种EDCS像燃料电池一样由氢提供动力，但不需要电线、双极板或电流收集器，因此可以像典型的分离膜一样模块化。短膜方法允许催化膜像典型的气液分离膜一样被封装到螺旋缠绕的模块中，具有较高的分离面积和体积比且结构紧凑。最终，25cm2的短膜EDCS可以在负载随动的动态条件下有效运行并在450h内从2000 cm3/min(sccm)的空气中去除大于99%的CO2。螺旋缠绕的EDCS模块可以从10,000 sccm的空气中去除大于98%的二氧化碳。对于80kwnet的HEMFC堆栈来说，在去除大于99%CO2的一个紧凑而高效的模块成本仅为112美元。
短膜EDCS的机理
利用HEMFC的本质，短膜EDCS由氢气和空气自供电，其机理如图1所示。在阴极，氧还原反应产生氢氧根(1)，它通过碳酸盐地层从空气中去除二氧化碳(2)。在阳极，氢氧化反应产生质子(3)，创造一个低pH环境。形成的碳酸盐通过膜从阴极迁移到阳极，在那里它们变成碳酸氢盐，最后由于pH梯度变成CO2(4)和(5)。因此，阴极捕获的CO2被浓缩并从阳极中清除，从而实现连续运行。然而，与其他报道的基于HEMFC的EDCS不同，在短膜EDCS中，电子可以直接通过膜而不是沿着外部电路传输，因为膜具有电子导电性。此外，不受传统燃料电池组件的限制，短膜EDCS可以制成紧凑、高性能的模块。
图1 |短膜EDCS工作原理。
短膜EDCS的性能
在短膜中，筛选了两种碳基材料作为膜中电子导电添加剂的潜在候选材料:CNTs和Vulcan XC-72R。CNTs和Vulcan XC-72R分布均匀，分别呈棒状和球状形貌，保持了一定的机械强度，这种短膜可以很容易地扩展到大格式模块。短膜具有较高的离子电阻，这将有助于减少碳酸盐/碳酸氢盐的反向扩散。
图2 |短膜的制备及性能。
对长度为25 cm2的短膜EDCS在450h内从2000 cm3/min(sccm)的空气中去除大于99%。除了稳态性能外，短膜EDCS能够处理HEMFC驱动车辆在行驶周期中遇到的动态条件。实际应用中，短膜EDCS需要以紧凑的形式集成到HEMFC系统中，而螺旋缠绕EDCS模块也证实可以从10,000 sccm的空气中去除超过98%的CO2，并进行了一个80h的稳定性测试，显示了放大短膜EDCS的可行性。
图3 |短膜EDCS的性能和耐久性。
短膜EDCS的电流控制
此外，本文提出了一种通过向阳极供氢率来控制电流密度的方法。通过向阳极提供用氮气稀释的氢和/或在阳极上使用薄聚丙烯膜形式的氢扩散屏障，EDCS电池的限制电流密度可以由氢对阳极催化剂层的可用性来定义，同时，可以防止阳极出口附近的缺氢现象。
总而言之，该团队演示了一种新型的以氢气为动力的电化学系统，它看起来像一个普通的过滤膜，可以有效地从空气中捕获99%的二氧化碳，这使得它在燃料电池应用中既有效又符合成本效益。同时，更少的组件意味着更低的成本，更重要的是，提供了一种容易市场化的方法，并可以进一步开发用于其他应用，如航天器或核潜艇的生命支持等。
来源：高分子科学前沿
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