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團隊大幅度提高了相關(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）也對該技術(shù)做了報道。

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)紀錄性能表現(xiàn)的固體氧化物燃料電池產(chǎn)品。該項研究開始于1999年，當(dāng)時日本本田汽車公司聯(lián)系到Prinz教授，請求他開展此工作，因為本田公司非常清楚固體氧化物燃料電池將成為一種非常有競爭力的車載輔助電源裝置，所以它們想擁有更棒的燃料電池，在市場競爭中占據(jù)有利地位。

納米級微粒突起結(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，每個單元由三個部分組成：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)先添加入車載儲存罐或儲存箱中，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)化成帶負電荷的氧離子，然后薄膜把氧離子運往燃料側(cè)，一旦與燃料發(fā)生接觸，二者就發(fā)生強烈的氧化還原反應(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、智能手機和汽車。

Prinz團隊的研究重點是解決現(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速度遠高于低溫，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)將會明顯的降低，但同時氧離子流動速度也會顯著減緩，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團隊則希望在更低溫的工作環(huán)境下，他們研發(fā)的燃料電池既不會減緩氧離子移動速度，也不會降低系統(tǒng)的效能。他們開展的核心工作是重新設(shè)計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團隊把他們的絕大多數(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團隊對這種薄膜進行了一系列的提升。首先，它們設(shè)計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)計出微型顆粒凸起結(jié)構(gòu)，看起來跟砂紙類似，進一步增加了固體氧化物和氧氣的潛在接觸點；然后薄膜的厚度也得到了不小的減低，氧離子移動到燃料側(cè)變得更簡單方便。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團隊工作人員還提到了一項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：氧離子有更多的機會被吸收，以參與之后的氧化還原反應(yīng)。

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