氢气流量(严玉山团队利用氢气清除二氧化碳，成本112美元具备商业化潜力)

Posted 2023-05-30

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氢气流量(严玉山团队利用氢气清除二氧化碳，成本112美元具备商业化潜力)

“我们首创了在碱性膜燃料电池系统中利用氢气来清除二氧化碳的装置。除此之外，在太空舱和核潜艇里，它有望净化空气中的二氧化碳，从而支持工作人员的呼吸。鉴于其利用氢气来分离二氧化碳。因此随着氢经济的发展，它还可用于飞机、或楼房等密闭空间中的空气循环再生。

对于相关论文，其中一位审稿人评价，‘二氧化碳问题是碱性膜燃料电池技术发展的关键瓶颈之一，迄今为止尚未得到有效的解决，本研究提供了一项重要的突破性技术。’”厦门大学校友、特拉华大学博士毕业生施霖表示。

▲图 | 施霖（来源：施霖）

在导师严玉山院士的指导下，他和同事在 Nature Energy 发表了一篇论文，借此解决了领域内的关键问题。据介绍，相较于质子交换膜燃料电池，碱性膜燃料电池更有潜力使用低成本材料，例如更便宜的催化剂和双极板等。

然而，目前仍存在一个十年来尚未得到解决的关键性问题——空气进气中超过 400ppm 的二氧化碳，会给碱性膜燃料电池的性能和效率造成多达 20% 的损失。

通过对机理的研究，他们发现二氧化碳会以碳酸根和碳酸氢根的形式，进入碱性膜燃料电池的阴极。随着电流转移到阳极，最终变回二氧化碳、并从阳极释放。

虽然从电池性能的角度来说，这一过程引发了电池阴极和阳极之间的 pH 梯度、以及电解质导电率的降低，从而导致热力学和动力学上的过电势。但从二氧化碳角度来说，这部分电池损失的能量却推动了二氧化碳从阴极空气端到阳极氢气端的转移。

所以，施霖和同事将问题转化为解决方法，即利用这种特性将碱性膜燃料电池转化为一种二氧化碳分离器，从而在碱性膜燃料电池系统中，对空气的进气做以净化。

由于这种二氧化碳分离器的主要功能不再是提供电能，而是清除二氧化碳。所以，燃料电池的外电路没有必要保留。故其使用一种既导电子、又导阴离子的膜，借此将电池内部短路，这好比把外电路埋在阴离子交换膜里。

（来源：Nature Energy）

这样一来，相比传统燃料电池电堆，整个二氧化碳分离器不再需要那些庞大繁重的组件比如双极板和集流板等，因而也就更加适合放大。

同时，不同于一般的燃料电池，由于不再具有外电路，这时需要通过控制氢气的流量，来控制二氧化碳分离器的内部电流，从而可让设备适应不同的二氧化碳清除负荷。

总的来说，他开发出一种可使用短路膜的二氧化碳分离器，进而能用于碱性膜燃料电池空气进气净化装置。其由氢气驱动，不需要电线且能达到空气中>99% 的清除率。基于此，施霖等人还把该装置模块化为一种螺旋卷式组件。

（来源：Nature Energy）

相关论文以《一种由氢供电的短路膜电化学电池，用于从氢氧化物交换膜燃料电池的空气进料中去除CO2》（A shorted membrane electrochemical cell powered by hydrogen to remove CO2 from the air feed of hydroxide exchange membrane fuel cells）为题发表在 Nature Energy 上 [1]。并被选为Nature Energy 封面文章。

▲图 | 该文章被选为 Nature Energy 三月刊的封面（来源：Nature Energy）

▲图 | 相关论文（来源：Nature Energy）

施霖和赵云（现为中科院大连化物所研究员）担任共同第一作者，特拉华大学化学与生物分子工程系的布赖恩·P·塞茨勒（Brian P. Setzler）教授和严玉山教授，担任共同通讯作者。

概括来说，该工作利用碱性膜燃料电池的特性，解决了碱性膜燃料电池的问题，并让碱性膜燃料电池的应用得以拓展。

另有审稿人评价称，“这项工作为解决二氧化碳给碱性膜燃料电池带来的挑战开辟了新道路，并将帮助碱性膜燃料电池的商业化更进一步”“短路膜二氧化碳分离器的概念令人信服，获得的实验数据也能很好地支持研究结论，（且）具有商业化的潜力”。

整体成本 112 美元，具备商业化潜力

研究主要分为七个步骤。其一，就二氧化碳对碱性膜电池性能的影响机理，进行研究和建模。

虽然二氧化碳对碱性膜电池性能的危害人尽皆知，但对其机理的研究与切实可行的解决方案却鲜有报道。研究中，该团队通过建模发现，将空气进气中二氧化碳的含量从大概 400ppm 降低到 4ppm 是比较合适的，即需要达到 99% 以上的清除率。

其二，是短路膜二氧化碳分离器想法的产生。在碱性膜系统中利用电流来捕捉二氧化碳的研究早已存在，而在碱性膜系统中利用氢气来清除二氧化碳的设计却是首创。这种设计和燃料电池相似，可通过内部短路的方式省去外电路，借此达到更简单、更紧凑、更便宜的目的。

其三是短路膜的制备与性能表征。施霖通过在阴离子交换膜中参杂碳的方式，来制备短路膜。原因在于短路膜承担了电子迁移和离子迁移的双重功能，其电子电阻和离子电阻对整个器件的工作状态起着决定性的作用。

同时，膜的机械性能并不能因为由于刚性碳的加入而受到较大损害。最后他发现，掺入 20%~30% 左右的 VulcanXC-72R 是最合适的。

（来源：Nature Energy）

其四，氢气对短路膜二氧化碳分离器电流密度的控制。因为外电路的缺失，整个短路膜二氧化碳分离器就像是一个黑箱，无法对其进行直接控制。在短路的情况下，为了不使氢气在装置进气口端消耗得太快，而是在出气口处于氢气饥饿的状态，施霖选择加入氮气来稀释氢气。

同时，通过调节氢气的流速，即可控制短路膜二氧化碳分离器的电流密度、以及二氧化碳的分离性能。此外，具体的工作电流密度可通过测量氢气的消耗量来确定。

其五，短路膜二氧化碳分离器性能和稳定性的测试。通过温度、湿度以及电极制作的优化，在 2000sccm 含有 400ppm 二氧化碳的空气测试中，25㎝² 有效面积的短路膜二氧化碳分离器能达到高于 99% 二氧化碳的清除率，并可稳定运行 450 小时。

另外，在不同空气和氢气流速组合的循环切换中，短路膜二氧化碳分离器能很好地跟随变化做出自我调整，即在动态过程中具备良好的适应性。

其六，二氧化碳分离器的放大，这一步又可细分为螺旋组件的设计、组装和测试。由于无需传统的燃料电池堆组件，短路膜二氧化碳分离器能像一般气体或液体分离膜一样被方便地模块化。研究中，课题组将其放大为一个螺旋卷式组件，并实现了 10000sccm 含有 400ppm 二氧化碳的空气中大于 98% 的二氧化碳的清除率。

（来源：Nature Energy）

其七是技术经济分析。分析结果显示，对一个 80kWnet 的碱性膜燃料电池堆来说，一个正常运转、并能达到高于 99% 二氧化碳清除率的短路膜二氧化碳分离器组件，需要 112 美元的成本。因此，将其整合到碱性膜燃料电池工作系统中是切实可行的。

以第一名从厦大毕业，留美期间师从严玉山院士

值得注意的是，在没有特意安排的情况下，文章上线的当天正是施霖做博士答辩的日子。如今，他已毕业并加入美国 Versogen 公司，从事纯水碱性膜电解池的研发工作。

据介绍，施霖来自浙江省温州市。本科就读于厦门大学化学化工学院化工系，期间曾连续两年获得国家奖学金，并获得该校本科生最高荣誉的本栋奖学金，后以排名第一的成绩毕业。

之后，其出国留学于美国特拉华大学读博，期间师从美国工程院院士、美国国家发明家科学院院士严玉山教授。2022 年毕业时，他的博士论文获得特拉华大学 AllanP.Colburn 博士论文奖。他说：“每年在全校所有数学和工程的相关专业里，将此奖颁发给一名具有突出成果的博士毕业生。”

对于未来，他表示有回国的打算。而该研究下一步的计划，则是通过系列优化进一步降低二氧化碳分离器的成本。比如提升二氧化碳传质的效率、降低氢气的消耗量、以及使用非贵金属催化剂等。

参考资料：

1.Shi, L., Zhao, Y., Matz, S. et al. A shorted membrane electrochemical cell powered by hydrogen to remove CO2 from the air feed of hydroxide exchange membrane fuel cells. Nat Energy 7, 238–247 (2022). https://doi.org/10.1038/s41560-021-00969-5