首款大型薄膜固体氧化物燃料电池问世

美国哈佛大学（Harvard）工程与应用科学学院（SEAS：School of Engineering and Applied Sciences）以及西能系统有限责任公司（SiEnergy Systems LLC）的材料科学家已演示了第一款宏观尺度的薄膜固体氧化物燃料电池（SOFC：solid-oxide fuel cell）。 固体氧化物燃料电池以前是工作在微观尺度，这是第一次有研究小组克服结构性挑战，把这项技术升级到实用尺寸，而且具有按比例提高的功率输出。在线报道发表在《自然•纳米技术》上，演示的这种全功能固体氧化物燃料电池显示，有可能使电化学燃料电池成为一种可行的清洁能源来源。 “这项工作的突破是，我们演示的功率密度可比你用微型膜所得到的，但是，采用的膜约有100倍大时，就可表明这种技术具有可扩展性，”主要研究者西里拉姆•拉马纳坦（Shriram Ramanathan）说，他是哈佛工程与应用科学学院材料科学副教授。 固体氧化物燃料电池产生电能是通过电化学反应，这种反应发生在一种超薄膜上。这种100纳米厚的膜包含电解质和电极，需要足够薄，可以让离子穿过，而且要在相对低温下（对于陶瓷燃料电池，温度范围是300至500摄氏度）。这些低温可实现快速启动，更紧凑的设计，并减少稀土材料的使用。 但到目前为止，薄膜已成功应用的只是在微型固体氧化物燃料电池上，每个芯片在燃料电池晶圆中大约是100微米宽。为了实际应用，比如使用紧凑型电源，固体氧化物燃料电池就需要有大约50倍大。 电化学膜是如此之薄，这种尺度上创造一个膜，大致相当于制作一张16英尺宽的纸。当然，结构性问题很重要。 “如果你制作传统的薄膜，在那种尺度，没有支持结构，你不能做任何事情，它会断裂，”合著者博蒯赖（Bo-Kuai Lai）说，他是哈佛工程与应用科学学院博士后研究员。“你制作膜是在实验室里，但你甚至不能把它拿出来。它只会粉碎。” 首席作者土屋胜（Masaru Tsuchiya）是09级博士，他是拉马纳坦实验室以前的成员，现在在西能公司，他与拉马纳坦及博蒯赖强化了这种薄膜，使用的金属网格样子就像纳米级的铁丝网。 这种微小的金属蜂窝提供了关键的结构性因素，用于这种大型膜，同时也用作集电器（current collector）。拉马纳坦的团队能够制造的膜芯片（membrane chip）为5毫米宽，要把几百个这样的芯片集成到手掌大小的固体氧化物燃料电池硅片上。 虽然其他研究人员较早尝试采用这种金属网格，取得了结构上的成功，但是，拉马纳坦小组首次演示了一种功能齐全的固体氧化物燃料电池，而且是在这样的尺度。他们的燃料电池功率密度是每平方厘米155毫瓦（510摄氏度），可比微观固体氧化物燃料电池的功率密度。成倍增加来自更大的有效面积（active area），这种新燃料电池的功率密度会转换为功率输出，这样的功率输出足够高，可用于相关的便携式电源。 拉马纳坦实验室先前的研究已经开发出微型固体氧化物燃料电池，这种电池是全瓷的，或使用沼气作为燃料源，而不是使用氢。研究人员希望，今后研究固体氧化物燃料电池要集成这些技术，用于大型燃料电池，提高它们的普及性。在未来几个月内，他们将探索新型纳米结构的阳极，用来替代氢燃料，这种替代品可低温运行，他们会努力改进这些微观结构稳定的电极。 这项研究的支持部分来自美国国家科学基金会（NSF：National Science Foundation），工作的进行部分是在哈佛大学纳米系统中心（Harvard University Center for Nanoscale Systems），这个中心是个成员单位，属于国家科学基金会资助的国家纳米技术基础设施网络（National Nanotechnology Infrastructure Network）。