斯坦福研制适应低温的燃料电池

更快、更小、更低温，纳米技术研究人员往往喜欢对他们研发的新技术以“更”来描述，但来自美国斯坦福大学纳米原型实验室的Fritz Prinz教授日前宣称开发出了可以用“最”来描述的创新科技。由Prinz率领的研发团队发明创造的固体氧化物燃料电池，每立方英寸所能传递的能量是目前技术中最高的，而且其低温适用性优势明显，并打破了原有的燃料电池最低正常工作温度的纪录。

美国能源部的相关政策已经表明，固体氧化物燃料电池将是未来洁净能源的主流研发方向。通过利用一些更为常见的民用燃料资源，燃料电池有望在将来的某一天成功取代大型的燃油驱动能量生产方式，为了早日把燃料电池应用到日常生活中，更高的效能和更低的正常工作温度是产品开发中的核心影响要素。Prinz团队大幅度提高了相关的技术水平，让我们更接近这一目标，这个里程碑式的创新科学技术被刊登在了Nano Letters科技杂志上，Science（超高水品学术期刊）也对该技术做了报道。

经过前后十几年大量科研人员和若干届学生的共同努力，才有了今天这款拥有创纪录性能表现的固体氧化物燃料电池产品。该项研究开始于1999年，当时日本本田汽车公司联系到Prinz教授，请求他开展此工作，因为本田公司非常清楚固体氧化物燃料电池将成为一种非常有竞争力的车载辅助电源装置，所以它们想拥有更棒的燃料电池，在市场竞争中占据有利地位。

纳米级微粒突起结构且凹凸不平的薄膜是低温下高效能固体氧化物燃料电池的基础

固体氧化物燃料电池是可分离、能堆叠在一起的小型单元集合体，每个单元由三个部分组成：燃料、氧气供应源和一层特别制造的薄膜。最为常见的燃料有氢气和天然气，预先添加入车载储存罐或储存箱中，再向燃料电池不断供应；氧气直接来自于空气；特制薄膜是使用一种固体氧化物加工的，可以把氧气和燃料分离到不同两侧，并把阴性带有负电荷的氧离子从氧气这一侧传递到燃料这一侧，最终有效地加剧释放能量的氧化还原反应。

特制薄膜经加工喷涂上了铂金粒子，在氧气侧该粒子帮助破坏中性的氧气分子结构，转化成带负电荷的氧离子，然后薄膜把氧离子运往燃料侧，一旦与燃料发生接触，二者就发生强烈的氧化还原反应，并立刻释放出大量的电子（电力学最小微量），而游离态的电子可以用来为各种电器设备功能，比如电灯泡、智能手机和汽车。

Prinz团队的研究重点是解决现有燃料电池在燃烧过程中一系列问题，氧离子在高温下的移动速度远高于低温，这就意味着如果想获得高的工作效能，则必须让燃料电池保持在高温环境，原有的技术所要求的工作温度往往高于500摄氏度，但这样的高温足以融化电池中经常使用的锌材料。像熔炉或由电池功能的加热器可以用来为燃料电池提供反应初始热量，以加快氧离子穿越薄膜的速度；一旦氧气和燃料开始发生反应，所产生的热量能够反过来为薄膜加热，让它始终保持在合适的工作温度。当降低燃料电池工作温度的时候，氧化还原反应产生能量中用于加热薄膜的热量供应将会明显的降低，但同时氧离子流动速度也会显著减缓，这种情况下工程师们开始研发适用燃料电池结构的更多材料，希望新型材料既要有高的性价比，还要有过硬的质量保证。

较低的工作温度代表着较慢的反应速度和较低的氧离子传递速度，原来的做法是在速度和温度之间做出权衡，但是Prinz团队则希望在更低温的工作环境下，他们研发的燃料电池既不会减缓氧离子移动速度，也不会降低系统的效能。他们开展的核心工作是重新设计了固体氧化物薄膜结构，使其在低温下有着更好的氧离子传递效率。氧气是制约燃料电池发展的瓶颈，这也是为什么Prinz团队把他们的绝大多数努力和创新研究都集中在了薄膜的氧气侧。

传统的固体氧化物燃料电池薄膜都是平板结构，平面薄膜易于加工生产，但没能最充分地利用空间，所以Prinz团队对这种薄膜进行了一系列的提升。首先，它们设计制造的薄膜坑坑洼洼、凹凸不平，从而增大了可以用来传递氧离子的表面面积；其次在起皱的表面设计出微型颗粒凸起结构，看起来跟砂纸类似，进一步增加了固体氧化物和氧气的潜在接触点；然后薄膜的厚度也得到了不小的减低，氧离子移动到燃料侧变得更简单方便。这款创新薄膜厚度仅有60纳米，大约是玻璃纸厚度的两百分之一。

Prinz团队工作人员还提到了一项提高燃料电池效能的创新技术，那就是他们为薄膜喷涂了一种全新的催化剂，但具体材料还没有公布。最后工程师们还为催化剂层使用了纳米级颗粒凸起结构，与砂纸式薄膜表面结构有着异曲同工之妙：氧离子有更多的机会被吸收，以参与之后的氧化还原反应。

Prinz相信他们的新技术将有效地推进低温环境下固体氧化剂燃料电池的研发进程，低温高效能的特性为将来推广到商用供电电源领域打下了坚实的基础。