第一作者：Lin Shi, Yun Zhao
通讯作者：Brian P. Setzler，严玉山
通讯单位：特拉华大学
★文章亮点
1. 氢氧化物交换膜碱性燃料电池 (HEMFC) 可以使用低成本的催化剂，从而降低成本。然而，HEMFC 的性能会受到空气进料中存在的 CO2 的不利影响。
2. 在这项工作中，作者展示了一种电化学驱动的 CO2 分离器 (EDCS)，它使用可传导阴离子和电子的短路膜从空气进料中去除 CO2。而且，这种 EDCS 像燃料电池一样由氢供电，不需要电线、双极板或集电器，因此可以像典型的分离膜一样模块化。
3. 此外，25 cm2 短路膜 EDCS 可以在 450 小时内从 2,000 标准立方厘米/分钟 (sccm) 的空气中实现 >99% 的 CO2 去除。螺旋缠绕的 EDCS 模块可以从 10,000 sccm 的空气中去除 >98% 的二氧化碳。
4. 从技术经济角度来看，对于一个 80 kWnet HEMFC 电堆来说，该紧凑且高效的模块具有 >99% 的二氧化碳去除效率，且成本仅为 112 美元，该设计将会推动碱性膜燃料电池进一步商业化。
文章链接
https://doi.org/10.1038/s41560-021-00969-5
★全文速览
氢氧化物交换膜燃料电池 (HEMFC) 的碱性环境允许在设备中使用低成本的催化剂和双极板。然而，HEMFC 的性能会受到空气进料中存在的 CO2 的不利影响。在这里，作者展示了一种电化学驱动的 CO2 分离器 (EDCS)，它使用可传导阴离子和电子的短膜从空气进料中去除 CO2。
这种 EDCS 像燃料电池一样由氢供电，不需要电线、双极板或集电器，因此可以像典型的分离膜一样模块化。作者表明，25 cm2 短膜 EDCS 可以在 450 小时内从 2,000 标准立方厘米/分钟 (sccm) 的空气中实现 >99% 的 CO2 去除。
螺旋缠绕的 EDCS 模块可以从 10,000 sccm 的空气中去除 >98% 的二氧化碳。技术经济分析表明，对于一个 80 kWnet HEMFC 电堆来说，该紧凑且高效的模块具有 >99% 的二氧化碳去除效率，且成本仅为 112 美元。
★前沿导读
氢氧化物交换膜燃料电池 (HEMFC)，作为质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 的替代品，有望达到每千瓦 30 美元的成本目标。HEMFC 碱性环境的腐蚀性较小，强化了电堆的成本优势，例如更便宜的催化剂、双极板和膜。
过去几年，科学界见证了 HEMFC 的快速发展，包括碱性稳定膜、廉价阴极催化剂和提高耐用性的高性能单电池。然而，目前仍存在一个较大的障碍，即空气中 CO2 的有害影响。因为它很容易与 HEMFC 阴极处的氢氧根阴离子反应形成碳酸盐，从而导致碳酸盐积聚的阳极处的 pH 值降低、电池性能显著下降以及聚合物电解质的离子电导率降低。
目前，从空气中去除 CO2 的传统方法，例如：使用碱性水溶液或固体吸附剂，使用胺官能化树脂等，无法满足系统简单性的要求，特别是在运输应用中。最近，人们对电化学 CO2 捕获方法越来越感兴趣，其可用于各种含 CO2 的气流，包括空气、海洋和烟道气。
与其他 CO2 去除方法相比，CO2 捕获方法可能更节能。例如，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。类似的 EDCS 也已证明，可以使用环境空气作为运行 HEMFC 的进料。
然而，只要 EDCS 涉及到使用燃料电池组件，例如双极板、集电器和负载控制系统等，考虑到应用设备的体积和成本限制，扩大 EDCS 并将其集成到 HEMFC 电力系统中仍然是一个挑战。
★图文速读
图 1：CO2 对 HEMFC 性能的影响。a，假设水活性为 1，忽略活性系数，CO2 与氢氧化物、碳酸盐和碳酸氢盐的水溶液在 80 °C 和 5 mol kg-1 阳离子浓度下的平衡。b，由膜 pH 梯度引起的与 CO2 相关的过电位，假设阴极边界为 100% 氢氧化物。c，考虑到不同负载的阳极离聚物和阳极界面处膜碳酸盐部分的不同边界条件，在初始不含 CO2 的 HEMFC与稳态碳酸盐积累到 50% 并将其清除时，之间的行驶距离估计。
图 2：短路膜EDCS的工作原理。a，带有两个短路 MEA 的螺旋形 EDCS 模块示意图，一个聚丙烯膜用作 H2 扩散屏障和一个聚丙烯网状气流分隔器。b，具有短路 MEA 的 EDCS 中，化学和传输过程的示意图。
图 3：短路膜的制备及性能。a，在乙醇中，与碳添加剂混合的聚合物干树脂，以及超声处理和搅拌后获得的分散体。b，短路膜的制备过程。箭头表示 1 m。c，所制备的短路膜。d-f，纯 PAP-TP-85 膜 (d)、具有 30% CNT 的短路 PAP-TP-85 膜 (e) 和具有 30% Vulcan XC-72R 的短路 PAP-TP-85 膜 (f) 的横截面 SEM 图像。比例尺，500 nm。g，具有 20% Vulcan XC-72R、30% Vulcan XC-72R 和 30% CNTs 的短路 PAP-TP-85 膜的电阻 (5 cm2)。h，纯 PAP-TP-85 膜、使用 20% Vulcan XC-72R 短路 PAP-TP-85 膜、使用 30% Vulcan XC-72R 短路 PAP-TP-85 膜和使用 30% CNT 的短路 PAP-TP-85 膜的离子电阻 (5 cm2)。i，纯 PAP-TP-85 膜、使用 20% Vulcan XC-72R 短路 PAP-TP-85 膜、使用 30% Vulcan XC-72R 短路 PAP-TP-85 膜和使用 30% CNT 的短路 PAP-TP-85 膜的应力-应变曲线。
图 4：通过氢气供应控制的短路膜 EDCS。a，通过在阳极出口放置一个在 0.6 V 和 40 °C 下运行的 PEM 氢泵，以检测未反应的 H2 来测量短路膜 EDCS 工作电流的方法示意图。b-e，空气流量为 1,000 sccm (b,c) 和 3,000 sccm (d,e) 时，不同 H2 流量下的工作电流密度 (b,d) 和 CO2 去除性能 (c,e)。阳极和阴极的催化剂均为 0.01 mgPt cm-2。
图 5：短路膜 EDCS 的性能和耐用性。a,b，在一系列阴极流速下，普通 EDCS 和短路膜 EDCS 的 CO2 去除性能 (a) 和总 CO2 传质阻力 (b) 的比较。c，短路膜EDCS的耐久性。d，短路膜 EDCS 在 3,000 sccm 空气（400 ppm CO2）、16 sccm H2（阳极气流为含 16% H2 的 N2，总流量为 100 sccm），和1,000 sccm 空气（400 ppm 的 CO2）、5 sccm H2（阳极气流为含 5% H2 的 N2，总流量为 100 sccm）之间循环的动态性能。
图 6：螺旋缠绕 EDCS 模块的示意图。a，分别沿着制备的长 MEA 的阳极（上）和阴极（下）侧的 H2（蓝色箭头）和空气（橙色箭头）流动路径示意图。b，通过缠绕两个MEA和两个进料垫片（聚丙烯网）获得的螺旋缠绕元件。c，组装好的螺旋缠绕EDCS模块。d，高阴极流量下螺旋缠绕 EDCS 模块的性能。
图 7：EDCS 模块的经济分析。a，不同单位组件的成本。b，关键驱动因素对模块成本影响的敏感性分析。
★结论与展望
结果表明，作者开发了一种短路膜 EDCS，它可以从进入 HEMFC 堆的空气进料中去除 >99% 的 CO2，而 H2 消耗量小于该电堆的 2%。因为它不使用双极板或集电器等燃料电池组件，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。
出于同样的原因，作者预计每千瓦的成本仅为 1.4 美元。作者通过加入碳添加剂制备短路膜；此外，通过 H2 进料速率控制电流被证明在这种短路膜电池中是有效的。通过优化电池结构和操作条件，25 cm2 活性面积的短路膜 EDCS，在连续 450 小时工作中，从 2,000 sccm 空气中去除了 >99% 的 CO2，同时，EDCS 排出气流中每小时平均增加约 6 ppb 的二氧化碳。
对于 1,000 到 3,000 sccm 之间的空气流量变化，证明了没有任何超过限制的快速动态响应。作者设计并制造了螺旋缠绕 EDCS 模块的原型，该模块可从 10,000 sccm 的气流中去除 98% 的二氧化碳。该模块还可用于 80 kWnet HEMFC 电堆，在 99% 的二氧化碳去除率下，总成本为 112 美元（每千瓦 1.4 美元）。
包含几个关键因素的模块成本敏感性分析表明，未来的成本结构改进需要集中在降低 CO2 传质阻力、铂负载和离聚物成本上。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能源支持。
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