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斯坦福研制適應(yīng)低溫的燃料電池

作者: 時(shí)間:2013-11-09 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
更快、更小、更低溫,納米技術(shù)研究人員往往喜歡對(duì)他們研發(fā)的新技術(shù)以“更”來(lái)描述,但來(lái)自美國(guó)斯坦福大學(xué)納米原型實(shí)驗(yàn)室的Fritz Prinz教授日前宣稱開(kāi)發(fā)出了可以用“最”來(lái)描述的創(chuàng)新科技。由Prinz率領(lǐng)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)明創(chuàng)造的固體氧化物燃料電池,每立方英寸所能傳遞的能量是目前技術(shù)中最高的,而且其低溫適用性優(yōu)勢(shì)明顯,并打破了原有的燃料電池最低正常工作溫度的紀(jì)錄。

美國(guó)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(lái)潔凈能源的主流研發(fā)方向。通過(guò)利用一些更為常見(jiàn)的民用燃料資源,燃料電池有望在將來(lái)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(kāi)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(guò)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(kāi)始于1999年,當(dāng)時(shí)日本本田汽車(chē)公司聯(lián)系到Prinz教授,請(qǐng)求他開(kāi)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(chē)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(jiàn)的燃料有氫氣和天然氣,預(yù)先添加入車(chē)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(lái)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(lái)為各種電器設(shè)備功能,比如電燈泡、智能手機(jī)和汽車(chē)。

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(guò)程中一系列問(wèn)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(lái)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(kāi)始發(fā)生反應(yīng),所產(chǎn)生的熱量能夠反過(guò)來(lái)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(kāi)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(guò)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(lái)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(kāi)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(méi)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(lái)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(lái)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(méi)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(lái)推廣到商用供電電源領(lǐng)域打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。



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