燃料電池的“春天”即將來臨

固體氧化物燃料電池是替代傳統(tǒng)發(fā)電廠的一種最佳選擇，它使用的電化學方法，比現(xiàn)有的基于燃燒的發(fā)電機發(fā)電效率更高。但燃料電池的降解速度往往太快，成本的增加與帶來的效率提升成正比關系。

日前，美國威斯康辛大學麥迪遜分校的工程師們對燃料電池的化學反應取得了新的突破。

“燃料電池是一項具有潛在的顛覆性能力的技術。”威斯康辛大學麥迪遜分校材料科學與工程學教授、該研究負責人戴恩·摩根表示，“退化問題一直是阻止其進入消費者市場的一個主要障礙。”他和他的合作者最近在《自然—通訊》雜志上發(fā)表了他們的研究成果。

“高溫”是燃料電池退化的一個原因，因為這些設備必須在極高的溫度下工作——產生電能的化學反應需在大于1500華氏度才能發(fā)生。燃料電池是將氧氣與外部燃料源結合，這與火災中發(fā)生的熱和光的轉化過程類似。然而，燃料電池是在沒有燃燒的情況下完成這些化學反應。這就是為什么燃料電池可以比燃燒能量產生效率更高的原因。

然而，燃料電池的工作原理與電池有幾分相似，同樣由兩個電極組成，兩電極之間由一種運輸離子的電解質材料隔開。其中一個電極將空氣中的氧氣分解成單個的原子，然后這些可以運輸?shù)脑优c燃料結合。重要的是，氧氣的分解釋放了電子，這些電子可以作為電流通過電路為家庭或設備提供電能。這種氧分解反應發(fā)生在一個叫做正極的部件上。

但氧氣化學穩(wěn)定性強，不容易被分解，因此，在低溫條件下，用相容的材料高效地驅動化學反應的挑戰(zhàn)性是一直存在的，部分原因是研究人員并不真正了解發(fā)生在正極上的原子尺度上的化學反應細節(jié)。

為了使氧進入正極，氣體分子必須分裂成兩個原子。然后每個原子必須與一個叫做空位的結構相遇，這是材料表面允許氧氣進入的一個小的分子間隙。理解這個過程是困難的，因為它發(fā)生在正極的頂層原子層，其化學性質可能與材料的主體大不相同。

“測量這兩層的化學組成和空位是非常具有挑戰(zhàn)性的。”摩根說，這就是他和同事們轉向計算機模擬的原因。作為分子模型方面的領先專家，他們將密度泛函理論和動力學模型結合起來，從原子水平深入了解發(fā)生在正極頂部兩層的反應。

研究小組斷定，在被研究的材料中，分裂并不是限制速度的步驟。他們意識到，氧原子在表面找到并進入空位的過程是限制燃料電池效率的關鍵。因此，具有更多空位的材料可能會使燃料電池的效率大大提高。

研究人員專注于一種特殊的材料，即用于許多普通燃料電池陰極的模型化合物，稱為鈷酸鑭鍶。他們計劃不久將分析范圍擴大到其他材料。

該發(fā)現(xiàn)的影響可能不僅局限于燃料電池。與環(huán)境交換氧氣的材料包括許多應用，例如，水的分解、二氧化碳的減少、氣體的分離及被稱為憶阻器的電子元件等。