斯坦福研製適應低溫的燃料電池

更快、更小、更低溫
，納米技術研究人員往往喜歡對他們研發的新技術以“更”來描述
，但來自美國斯坦福大學納米原型實驗室的Fritz Prinz教授日前宣稱開發出了可以用“最”來描述的創新科技。由Prinz率lv領ling的de研yan發fa團tuan隊dui發fa明ming創chuang造zao的de固gu體ti氧yang化hua物wu燃ran料liao電dian池chi，每mei立li方fang英ying寸cun所suo能neng傳chuan遞di的de能neng量liang是shi目mu前qian技ji術shu中zhong最zui高gao的de，而er且qie其qi低di溫wen適shi用yong性xing優you勢shi明ming顯xian，並bing打da破po了le原yuan有you的de燃ran料liao電dian池chi最zui低di正zheng常chang工gong作zuo溫wen度du的de紀ji錄lu。

美(mei)國(guo)能(neng)源(yuan)部(bu)的(de)相(xiang)關(guan)政(zheng)策(ce)已(yi)經(jing)表(biao)明(ming)，固(gu)體(ti)氧(yang)化(hua)物(wu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)將(jiang)是(shi)未(wei)來(lai)潔(jie)淨(jing)能(neng)源(yuan)的(de)主(zhu)流(liu)研(yan)發(fa)方(fang)向(xiang)。通(tong)過(guo)利(li)用(yong)一(yi)些(xie)更(geng)為(wei)常(chang)見(jian)的(de)民(min)用(yong)燃(ran)料(liao)資(zi)源(yuan)，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)有(you)望(wang)在(zai)將(jiang)來(lai)的(de)某(mou)一(yi)天(tian)成(cheng)功(gong)取(qu)代(dai)大(da)型(xing)的(de)燃(ran)油(you)驅(qu)動(dong)能(neng)量(liang)生(sheng)產(chan)方(fang)式(shi)，為(wei)了(le)早(zao)日(ri)把(ba)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)應(ying)用(yong)到(dao)日(ri)常(chang)生(sheng)活(huo)中(zhong)，更(geng)高(gao)的(de)效(xiao)能(neng)和(he)更(geng)低(di)的(de)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)是(shi)產(chan)品(pin)開(kai)發(fa)中(zhong)的(de)核(he)心(xin)影(ying)響(xiang)要(yao)素(su)。Prinz團隊大幅度提高了相關的技術水平，讓我們更接近這一目標，這個裏程碑式的創新科學技術被刊登在了Nano Letters科技雜誌上，Science（超高水品學術期刊）也對該技術做了報道。

經(jing)過(guo)前(qian)後(hou)十(shi)幾(ji)年(nian)大(da)量(liang)科(ke)研(yan)人(ren)員(yuan)和(he)若(ruo)幹(gan)屆(jie)學(xue)生(sheng)的(de)共(gong)同(tong)努(nu)力(li)
，才(cai)有(you)了(le)今(jin)天(tian)這(zhe)款(kuan)擁(yong)有(you)創(chuang)紀(ji)錄(lu)性(xing)能(neng)表(biao)現(xian)的(de)固(gu)體(ti)氧(yang)化(hua)物(wu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)產(chan)品(pin)。該(gai)項(xiang)研(yan)究(jiu)開(kai)始(shi)於(yu)1999年，當時日本本田汽車公司聯係到Prinzjiaoshou，qingqiutakaizhancigongzuo，yinweibentiangongsifeichangqingchugutiyanghuawuranliaodianchijiangchengweiyizhongfeichangyoujingzhenglidechezaifuzhudianyuanzhuangzhi，suoyitamenxiangyongyougengbangderanliaodianchi

，zaishichangjingzhengzhongzhanjuyoulidiwei。

納米級微粒突起結構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

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、氧氣供應源和一層特別製造的薄膜。最為常見的燃料有氫氣和天然氣
，預先添加入車載儲存罐或儲存箱中
，再向燃料電池不斷供應；氧氣直接來自於空氣；特(te)製(zhi)薄(bo)膜(mo)是(shi)使(shi)用(yong)一(yi)種(zhong)固(gu)體(ti)氧(yang)化(hua)物(wu)加(jia)工(gong)的(de)，可(ke)以(yi)把(ba)氧(yang)氣(qi)和(he)燃(ran)料(liao)分(fen)離(li)到(dao)不(bu)同(tong)兩(liang)側(ce)，並(bing)把(ba)陰(yin)性(xing)帶(dai)有(you)負(fu)電(dian)荷(he)的(de)氧(yang)離(li)子(zi)從(cong)氧(yang)氣(qi)這(zhe)一(yi)側(ce)傳(chuan)遞(di)到(dao)燃(ran)料(liao)這(zhe)一(yi)側(ce)，最(zui)終(zhong)有(you)效(xiao)地(di)加(jia)劇(ju)釋(shi)放(fang)能(neng)量(liang)的(de)氧(yang)化(hua)還(hai)原(yuan)反(fan)應(ying)。

特te製zhi薄bo膜mo經jing加jia工gong噴pen塗tu上shang了le鉑bo金jin粒li子zi，在zai氧yang氣qi側ce該gai粒li子zi幫bang助zhu破po壞huai中zhong性xing的de氧yang氣qi分fen子zi結jie構gou
，轉zhuan化hua成cheng帶dai負fu電dian荷he的de氧yang離li子zi，然ran後hou薄bo膜mo把ba氧yang離li子zi運yun往wang燃ran料liao側ce，一yi旦dan與yu燃ran料liao發fa生sheng接jie觸chu
，二er者zhe就jiu發fa生sheng強qiang烈lie的de氧yang化hua還hai原yuan反fan應ying，並bing立li刻ke釋shi放fang出chu大da量liang的de電dian子zi（電力學最小微量），而遊離態的電子可以用來為各種電器設備功能，比如電燈泡
、智能手機和汽車。

Prinztuanduideyanjiuzhongdianshijiejuexianyouranliaodianchizairanshaoguochengzhongyixiliewenti，yanglizizaigaowenxiadeyidongsuduyuangaoyudiwen
，zhejiuyiweizheruguoxianghuodegaodegongzuoxiaoneng，zebixurangranliaodianchibaochizaigaowenhuanjing，yuanyoudejishusuoyaoqiudegongzuowenduwangwanggaoyu500攝she氏shi度du
，但dan這zhe樣yang的de高gao溫wen足zu以yi融rong化hua電dian池chi中zhong經jing常chang使shi用yong的de鋅xin材cai料liao。像xiang熔rong爐lu或huo由you電dian池chi功gong能neng的de加jia熱re器qi可ke以yi用yong來lai為wei燃ran料liao電dian池chi提ti供gong反fan應ying初chu始shi熱re量liang
，以yi加jia快kuai氧yang離li子zi穿chuan越yue薄bo膜mo的de速su度du；一yi旦dan氧yang氣qi和he燃ran料liao開kai始shi發fa生sheng反fan應ying，所suo產chan生sheng的de熱re量liang能neng夠gou反fan過guo來lai為wei薄bo膜mo加jia熱re

，讓rang它ta始shi終zhong保bao持chi在zai合he適shi的de工gong作zuo溫wen度du。當dang降jiang低di燃ran料liao電dian池chi工gong作zuo溫wen度du的de時shi候hou，氧yang化hua還hai原yuan反fan應ying產chan生sheng能neng量liang中zhong用yong於yu加jia熱re薄bo膜mo的de熱re量liang供gong應ying將jiang會hui明ming顯xian的de降jiang低di，但dan同tong時shi氧yang離li子zi流liu動dong速su度du也ye會hui顯xian著zhu減jian緩huan
，這zhe種zhong情qing況kuang下xia工gong程cheng師shi們men開kai始shi研yan發fa適shi用yong燃ran料liao電dian池chi結jie構gou的de更geng多duo材cai料liao，希xi望wang新xin型xing材cai料liao既ji要yao有you高gao的de性xing價jia比bi
，還hai要yao有you過guo硬ying的de質zhi量liang保bao證zheng。

較低的工作溫度代表著較慢的反應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衡，但是Prinz團(tuan)隊(dui)則(ze)希(xi)望(wang)在(zai)更(geng)低(di)溫(wen)的(de)工(gong)作(zuo)環(huan)境(jing)下(xia)
，他(ta)們(men)研(yan)發(fa)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)既(ji)不(bu)會(hui)減(jian)緩(huan)氧(yang)離(li)子(zi)移(yi)動(dong)速(su)度(du)
，也(ye)不(bu)會(hui)降(jiang)低(di)係(xi)統(tong)的(de)效(xiao)能(neng)。他(ta)們(men)開(kai)展(zhan)的(de)核(he)心(xin)工(gong)作(zuo)是(shi)重(zhong)新(xin)設(she)計(ji)了(le)固(gu)體(ti)氧(yang)化(hua)物(wu)薄(bo)膜(mo)結(jie)構(gou)，使(shi)其(qi)在(zai)低(di)溫(wen)下(xia)有(you)著(zhe)更(geng)好(hao)的(de)氧(yang)離(li)子(zi)傳(chuan)遞(di)效(xiao)率(lv)。氧(yang)氣(qi)是(shi)製(zhi)約(yue)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)發(fa)展(zhan)的(de)瓶(ping)頸(jing)
，這(zhe)也(ye)是(shi)為(wei)什(shen)麼(me)Prinz團隊把他們的絕大多數努力和創新研究都集中在了薄膜的氧氣側。

傳統的固體氧化物燃料電池薄膜都是平板結構
，平麵薄膜易於加工生產
，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係列的提升。首先，它們設計製造的薄膜坑坑窪窪
、凹凸不平，從而增大了可以用來傳遞氧離子的表麵麵積；其次在起皺的表麵設計出微型顆粒凸起結構
，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；然後薄膜的厚度也得到了不小的減低
，氧離子移動到燃料側變得更簡單方便。這款創新薄膜厚度僅有60納米，大約是玻璃紙厚度的兩百分之一。

Prinz團(tuan)隊(dui)工(gong)作(zuo)人(ren)員(yuan)還(hai)提(ti)到(dao)了(le)一(yi)項(xiang)提(ti)高(gao)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)效(xiao)能(neng)的(de)創(chuang)新(xin)技(ji)術(shu)，那(na)就(jiu)是(shi)他(ta)們(men)為(wei)薄(bo)膜(mo)噴(pen)塗(tu)了(le)一(yi)種(zhong)全(quan)新(xin)的(de)催(cui)化(hua)劑(ji)，但(dan)具(ju)體(ti)材(cai)料(liao)還(hai)沒(mei)有(you)公(gong)布(bu)。最(zui)後(hou)工(gong)程(cheng)師(shi)們(men)還(hai)為(wei)催(cui)化(hua)劑(ji)層(ceng)使(shi)用(yong)了(le)納(na)米(mi)級(ji)顆(ke)粒(li)凸(tu)起(qi)結(jie)構(gou)，與(yu)砂(sha)紙(zhi)式(shi)薄(bo)膜(mo)表(biao)麵(mian)結(jie)構(gou)有(you)著(zhe)異(yi)曲(qu)同(tong)工(gong)之(zhi)妙(miao)：氧離子有更多的機會被吸收，以參與之後的氧化還原反應。

Prinzxiangxintamendexinjishujiangyouxiaodituijindiwenhuanjingxiagutiyanghuajiranliaodianchideyanfajincheng
，diwengaoxiaonengdetexingweijianglaituiguangdaoshangyonggongdiandianyuanlingyudaxialejianshidejichu。