在2022年2月3日，美國特拉華大學(xué)嚴(yán)玉山教授和Brian P. Setzler（共同通訊作者）等人在Nature Energy上發(fā)表最新論文，該文題為“A shorted membrane electrochemical cell powered by hydrogen to remove CO₂ from the air feed of hydroxide exchange membrane fuel cells”。

氫氧化物交換膜燃料電池（HEMFCs）是一種有效的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）替代品，有望達(dá)到每千瓦30美元的系統(tǒng)成本目標(biāo)。然而，還有一個主要障礙是大氣CO₂的有害影響，其很容易與HEMFC正極處的氫氧根陰離子反應(yīng)形成碳酸鹽，從而由于碳酸鹽積聚的負(fù)極處的pH值降低而導(dǎo)致電池性能顯著下降，并且在較小程度上，聚合物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率降低。從空氣中去除CO₂的傳統(tǒng)方法，例如使用固體吸附劑的不可逆CO₂封存等，無法滿足系統(tǒng)簡單性的要求，尤其是在運輸應(yīng)用中。

綜上所述，作者開發(fā)了一種短路膜EDCS，它可以從進(jìn)入下游HEMFC stack的空氣進(jìn)料中去除超過99%的CO₂，而H2消耗量小于該堆的2%。這種類型的EDCS可以擴(kuò)大規(guī)模，例如擴(kuò)大到緊湊的螺旋纏繞模塊，因為它不使用雙極板或集電器等燃料電池組件，因此預(yù)計每千瓦的成本僅為1.4美元。通過添加碳添加劑制備短路膜，并且通過H₂進(jìn)料速率控制電流被證明對這種短路膜電池有效。通過優(yōu)化的電池構(gòu)建和操作條件，25 cm²活性面積的短路膜EDCS在連續(xù)450 h的操作中從2000 sccm空氣中去除超過99%的CO₂，EDCS空氣中每小時平均增加約6 ppb的CO₂排氣流。對于1000到3000 sccm 之間的空氣流速變化，證明了沒有任何超調(diào)的快速動態(tài)響應(yīng)。

作者設(shè)計并制造了螺旋纏繞EDCS模塊的早期原型，該模塊可從10000 sccm的氣流中去除98%的CO₂。作者還對用于80 kW_net HEMFC stack的EDCS模塊進(jìn)行了TEA，在99%的CO₂去除率下，總成本為112美元（每千瓦1.4美元）。這種EDCS技術(shù)使HEMFC技術(shù)更接近市場，并且可以進(jìn)一步開發(fā)用于其他應(yīng)用，例如航天器或核潛艇的生命支持，其中氫氣很容易獲得，飛機(jī)和建筑物需要增加空氣再循環(huán)以節(jié)省能源和氫氣可能隨著氫經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而變得可用。

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.