首款大型薄膜固體氧化物燃料電池問世

美國哈佛大學（Harvard）工程與應用科學學院（SEAS：School of Engineering and Applied Sciences）以及西能係統有限責任公司（SiEnergy Systems LLC）的材料科學家已演示了第一款宏觀尺度的薄膜固體氧化物燃料電池（SOFC：solid-oxide fuel cell）。 固(gu)體(ti)氧(yang)化(hua)物(wu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)以(yi)前(qian)是(shi)工(gong)作(zuo)在(zai)微(wei)觀(guan)尺(chi)度(du)，這(zhe)是(shi)第(di)一(yi)次(ci)有(you)研(yan)究(jiu)小(xiao)組(zu)克(ke)服(fu)結(jie)構(gou)性(xing)挑(tiao)戰(zhan)，把(ba)這(zhe)項(xiang)技(ji)術(shu)升(sheng)級(ji)到(dao)實(shi)用(yong)尺(chi)寸(cun)，而(er)且(qie)具(ju)有(you)按(an)比(bi)例(li)提(ti)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)輸(shu)出(chu)。在(zai)線(xian)報(bao)道(dao)發(fa)表(biao)在(zai)《自然•納米技術》上，演示的這種全功能固體氧化物燃料電池顯示，有可能使電化學燃料電池成為一種可行的清潔能源來源。 “這項工作的突破是，我們演示的功率密度可比你用微型膜所得到的


，但是
，采用的膜約有100倍大時
，就可表明這種技術具有可擴展性，”主要研究者西裏拉姆•拉馬納坦（Shriram Ramanathan）說，他是哈佛工程與應用科學學院材料科學副教授。 固體氧化物燃料電池產生電能是通過電化學反應，這種反應發生在一種超薄膜上。這種100納米厚的膜包含電解質和電極，需要足夠薄，可以讓離子穿過
，而且要在相對低溫下（對於陶瓷燃料電池
，溫度範圍是300至500攝氏度）。這些低溫可實現快速啟動
，更緊湊的設計
，並減少稀土材料的使用。 但到目前為止，薄膜已成功應用的隻是在微型固體氧化物燃料電池上，每個芯片在燃料電池晶圓中大約是100微米寬。為了實際應用，比如使用緊湊型電源，固體氧化物燃料電池就需要有大約50倍大。 電化學膜是如此之薄，這種尺度上創造一個膜，大致相當於製作一張16英尺寬的紙。當然
，結構性問題很重要。 “如果你製作傳統的薄膜
，在那種尺度，沒有支持結構，你不能做任何事情，它會斷裂

，”合著者博蒯賴（Bo-Kuai Lai）說，他是哈佛工程與應用科學學院博士後研究員。“你製作膜是在實驗室裏，但你甚至不能把它拿出來。它隻會粉碎。” 首席作者土屋勝（Masaru Tsuchiya）是09級ji博bo士shi，他ta是shi拉la馬ma納na坦tan實shi驗yan室shi以yi前qian的de成cheng員yuan，現xian在zai在zai西xi能neng公gong司si，他ta與yu拉la馬ma納na坦tan及ji博bo蒯kuai賴lai強qiang化hua了le這zhe種zhong薄bo膜mo
，使shi用yong的de金jin屬shu網wang格ge樣yang子zi就jiu像xiang納na米mi級ji的de鐵tie絲si網wang。 這種微小的金屬蜂窩提供了關鍵的結構性因素，用於這種大型膜
，同時也用作集電器（current collector）。拉馬納坦的團隊能夠製造的膜芯片（membrane chip）為5毫米寬，要把幾百個這樣的芯片集成到手掌大小的固體氧化物燃料電池矽片上。 雖(sui)然(ran)其(qi)他(ta)研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)較(jiao)早(zao)嚐(chang)試(shi)采(cai)用(yong)這(zhe)種(zhong)金(jin)屬(shu)網(wang)格(ge)，取(qu)得(de)了(le)結(jie)構(gou)上(shang)的(de)成(cheng)功(gong)
，但(dan)是(shi)，拉(la)馬(ma)納(na)坦(tan)小(xiao)組(zu)首(shou)次(ci)演(yan)示(shi)了(le)一(yi)種(zhong)功(gong)能(neng)齊(qi)全(quan)的(de)固(gu)體(ti)氧(yang)化(hua)物(wu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)，而(er)且(qie)是(shi)在(zai)這(zhe)樣(yang)的(de)尺(chi)度(du)。他(ta)們(men)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)是(shi)每(mei)平(ping)方(fang)厘(li)米(mi)155毫瓦（510攝氏度），可比微觀固體氧化物燃料電池的功率密度。成倍增加來自更大的有效麵積（active area）
，這種新燃料電池的功率密度會轉換為功率輸出

，這樣的功率輸出足夠高
，可用於相關的便攜式電源。 拉(la)馬(ma)納(na)坦(tan)實(shi)驗(yan)室(shi)先(xian)前(qian)的(de)研(yan)究(jiu)已(yi)經(jing)開(kai)發(fa)出(chu)微(wei)型(xing)固(gu)體(ti)氧(yang)化(hua)物(wu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)，這(zhe)種(zhong)電(dian)池(chi)是(shi)全(quan)瓷(ci)的(de)，或(huo)使(shi)用(yong)沼(zhao)氣(qi)作(zuo)為(wei)燃(ran)料(liao)源(yuan)
，而(er)不(bu)是(shi)使(shi)用(yong)氫(qing)。研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)希(xi)望(wang)，今(jin)後(hou)研(yan)究(jiu)固(gu)體(ti)氧(yang)化(hua)物(wu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)要(yao)集(ji)成(cheng)這(zhe)些(xie)技(ji)術(shu)
，用(yong)於(yu)大(da)型(xing)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)
，提(ti)高(gao)它(ta)們(men)的(de)普(pu)及(ji)性(xing)。在(zai)未(wei)來(lai)幾(ji)個(ge)月(yue)內(nei)，他(ta)們(men)將(jiang)探(tan)索(suo)新(xin)型(xing)納(na)米(mi)結(jie)構(gou)的(de)陽(yang)極(ji)，用(yong)來(lai)替(ti)代(dai)氫(qing)燃(ran)料(liao)，這(zhe)種(zhong)替(ti)代(dai)品(pin)可(ke)低(di)溫(wen)運(yun)行(xing)，他(ta)們(men)會(hui)努(nu)力(li)改(gai)進(jin)這(zhe)些(xie)微(wei)觀(guan)結(jie)構(gou)穩(wen)定(ding)的(de)電(dian)極(ji)。 這項研究的支持部分來自美國國家科學基金會（NSF：National Science Foundation）
，工作的進行部分是在哈佛大學納米係統中心（Harvard University Center for Nanoscale Systems）
，這個中心是個成員單位，屬於國家科學基金會資助的國家納米技術基礎設施網絡（National Nanotechnology Infrastructure Network）。