斯坦福研制適應(yīng)低溫的燃料電池

美國能源部的相關(guān)政策已經(jīng)表明，固體氧化物燃料電池將是未來潔凈能源的主流研發(fā)方向。通過利用一些更為常見的民用燃料資源，燃料電池有望在將來的某一天成功取代大型的燃油驅(qū)動(dòng)能量生產(chǎn)方式，為了早日把燃料電池應(yīng)用到日常生活中，更高的效能和更低的正常工作溫度是產(chǎn)品開發(fā)中的核心影響要素。Prinz團(tuán)隊(duì)大幅度提高了相關(guān)的技術(shù)水平，讓我們更接近這一目標(biāo)，這個(gè)里程碑式的創(chuàng)新科學(xué)技術(shù)被刊登在了Nano Letters科技雜志上，Science（超高水品學(xué)術(shù)期刊）也對(duì)該技術(shù)做了報(bào)道。

經(jīng)過前后十幾年大量科研人員和若干屆學(xué)生的共同努力，才有了今天這款擁有創(chuàng)紀(jì)錄性能表現(xiàn)的固體氧化物燃料電池產(chǎn)品。該項(xiàng)研究開始于1999年，當(dāng)時(shí)日本本田汽車公司聯(lián)系到Prinz教授，請(qǐng)求他開展此工作，因?yàn)楸咎锕痉浅Ｇ宄腆w氧化物燃料電池將成為一種非常有競(jìng)爭(zhēng)力的車載輔助電源裝置，所以它們想擁有更棒的燃料電池，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位。

納米級(jí)微粒突起結(jié)構(gòu)且凹凸不平的薄膜是低溫下高效能固體氧化物燃料電池的基礎(chǔ)

固體氧化物燃料電池是可分離、能堆疊在一起的小型單元集合體，每個(gè)單元由三個(gè)部分組成：燃料、氧氣供應(yīng)源和一層特別制造的薄膜。最為常見的燃料有氫氣和天然氣，預(yù)先添加入車載儲(chǔ)存罐或儲(chǔ)存箱中，再向燃料電池不斷供應(yīng)；氧氣直接來自于空氣；特制薄膜是使用一種固體氧化物加工的，可以把氧氣和燃料分離到不同兩側(cè)，并把陰性帶有負(fù)電荷的氧離子從氧氣這一側(cè)傳遞到燃料這一側(cè)，最終有效地加劇釋放能量的氧化還原反應(yīng)。

特制薄膜經(jīng)加工噴涂上了鉑金粒子，在氧氣側(cè)該粒子幫助破壞中性的氧氣分子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)化成帶負(fù)電荷的氧離子，然后薄膜把氧離子運(yùn)往燃料側(cè)，一旦與燃料發(fā)生接觸，二者就發(fā)生強(qiáng)烈的氧化還原反應(yīng)，并立刻釋放出大量的電子（電力學(xué)最小微量），而游離態(tài)的電子可以用來為各種電器設(shè)備功能，比如電燈泡、智能手機(jī)和汽車。

Prinz團(tuán)隊(duì)的研究重點(diǎn)是解決現(xiàn)有燃料電池在燃燒過程中一系列問題，氧離子在高溫下的移動(dòng)速度遠(yuǎn)高于低溫，這就意味著如果想獲得高的工作效能，則必須讓燃料電池保持在高溫環(huán)境，原有的技術(shù)所要求的工作溫度往往高于500攝氏度，但這樣的高溫足以融化電池中經(jīng)常使用的鋅材料。像熔爐或由電池功能的加熱器可以用來為燃料電池提供反應(yīng)初始熱量，以加快氧離子穿越薄膜的速度；一旦氧氣和燃料開始發(fā)生反應(yīng)，所產(chǎn)生的熱量能夠反過來為薄膜加熱，讓它始終保持在合適的工作溫度。當(dāng)降低燃料電池工作溫度的時(shí)候，氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生能量中用于加熱薄膜的熱量供應(yīng)將會(huì)明顯的降低，但同時(shí)氧離子流動(dòng)速度也會(huì)顯著減緩，這種情況下工程師們開始研發(fā)適用燃料電池結(jié)構(gòu)的更多材料，希望新型材料既要有高的性價(jià)比，還要有過硬的質(zhì)量保證。

較低的工作溫度代表著較慢的反應(yīng)速度和較低的氧離子傳遞速度，原來的做法是在速度和溫度之間做出權(quán)衡，但是Prinz團(tuán)隊(duì)則希望在更低溫的工作環(huán)境下，他們研發(fā)的燃料電池既不會(huì)減緩氧離子移動(dòng)速度，也不會(huì)降低系統(tǒng)的效能。他們開展的核心工作是重新設(shè)計(jì)了固體氧化物薄膜結(jié)構(gòu)，使其在低溫下有著更好的氧離子傳遞效率。氧氣是制約燃料電池發(fā)展的瓶頸，這也是為什么Prinz團(tuán)隊(duì)把他們的絕大多數(shù)努力和創(chuàng)新研究都集中在了薄膜的氧氣側(cè)。

傳統(tǒng)的固體氧化物燃料電池薄膜都是平板結(jié)構(gòu)，平面薄膜易于加工生產(chǎn)，但沒能最充分地利用空間，所以Prinz團(tuán)隊(duì)對(duì)這種薄膜進(jìn)行了一系列的提升。首先，它們?cè)O(shè)計(jì)制造的薄膜坑坑洼洼、凹凸不平，從而增大了可以用來傳遞氧離子的表面面積；其次在起皺的表面設(shè)計(jì)出微型顆粒凸起結(jié)構(gòu)，看起來跟砂紙類似，進(jìn)一步增加了固體氧化物和氧氣的潛在接觸點(diǎn)；然后薄膜的厚度也得到了不小的減低，氧離子移動(dòng)到燃料側(cè)變得更簡(jiǎn)單方便。這款創(chuàng)新薄膜厚度僅有60納米，大約是玻璃紙厚度的兩百分之一。

Prinz團(tuán)隊(duì)工作人員還提到了一項(xiàng)提高燃料電池效能的創(chuàng)新技術(shù)，那就是他們?yōu)楸∧娡苛艘环N全新的催化劑，但具體材料還沒有公布。最后工程師們還為催化劑層使用了納米級(jí)顆粒凸起結(jié)構(gòu)，與砂紙式薄膜表面結(jié)構(gòu)有著異曲同工之妙：氧離子有更多的機(jī)會(huì)被吸收，以參與之后的氧化還原反應(yīng)。

Prinz相信他們的新技術(shù)將有效地推進(jìn)低溫環(huán)境下固體氧化劑燃料電池的研發(fā)進(jìn)程，低溫高效能的特性為將來推廣到商用供電電源領(lǐng)域打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。