下一代燃料电池引领清洁能源未来

据国外网站报道：燃料电池是一种非常高效，仅需要消耗少量水便可实现零排放的新能源选择。燃料电池优异的可扩展性和静谧性，使它们能够完美地应用到大型中心电站或局部微电网中。燃料电池可以利用来自化石能源的氢气，这个固有特性使它们特别适合解决由化石燃料发电引发的环境问题。

固体氧化物燃料电池（SOFC）是国家能源技术实验室（NETL）的关键技术之一，NETL是17个美国能源部国家实验室中唯一一个致力于化石能源研究的实验室。

NETL的研究特别考察了燃料电池在上万小时运行过程中的紧密耦合演变过程。研究人员正在全面组合所需基本技术知识来检查耦合衰退现象。这些信息对于大幅提升陶瓷工程能力，并将大大加快下一代先进SOFC材料和结构的上市时间。

NETL的研究在SOFC商业化开发和技术创新方面取得了成功。这个成功背后的包含了化学工程，材料科学，计算方法，分析科学，系统工程等专家的合作，以及其他众多为解决燃料电池技术耐久性和全球化推广而付出的努力。

性能衰退研究框架

尽管SOFC有很多优势，但尚不能够实现市场化。NETL系统分析专家认为性能衰退是阻碍SOFC商业化推广的关键问题。性能衰退是任何SOFC结构从其设计伊始就需要竭力避免的问题。这种性能衰退限制了电池的使用寿命并降低了其经济吸引力。

SOFC和功能材料研究员Kirk Gerdes博士解释说，性能衰退一直以来都是一个影响燃料电池运行的复杂问题。我们需要了解性能衰退过程和在复杂多维操作空间内材料系统相互关系的基础知识，才能实现合理地设计，将SOFC的性能衰退控制在目标水平。NETL正在开发的研究框架不仅能够提供对衰退机制进行探索，还有助于跟踪和预测电池的性能。

SOFC发生性能衰退主要是因为SOFC的材料和构成电极和电解质的电陶瓷长期暴露于高温、恶劣的工作环境中。另外，电池的电活性区域限制在纳米范围内的高强度电场中。电池内的热，化学和静电驱动力结合最终导致电池的电化学活性下井，效率降低并最终导致电池故障。

为了检测和充分了解衰退发生的原因，NETL的SOFC一个研究方向就是集中开发一个研究框架，研究人员可以通过这个框架跟踪和归类衰退过程。

SOFC团队的研究框架描述了所有性能衰退的可能性，而团队的研究提供了真实数据来填充框架。这些努力支持了SOFC技术的商业化，并促进了基础研究和技术创新的商业利用率。

SOFC衰退机理的详细研究

研究衰退机理以改善燃料电池的寿命并最终降低系统成本是NETL及其行业合作伙伴的综合研究方向，其中包括建模，分析和表征方面的专业知识。NETL研究人员与合作大学的研究人员合作，对来自产业界伙伴的SOFC样品进行实验。然后，随着技术的发展和成熟，他们被移交给这些合作伙伴进行商业用途。

例如，NETL的微观结构可视化工作详细介绍了SOFC的内部工作过程。此工作使用强大的FIB-SEM设备捕获横截面图像，然后研究人员用它们来生成高分辨率的三维重建影像。 NETL已经创造了世界上最大高分辨率的电极重建影像那个，其中一些比同样分辨率下的其他可视化图像大100倍。

建模允许研究人员模拟SOFC老化过程，相比于通常物理实验所需的数万小时运行时间，能够更快更经济地获得有意义的结果。研究人员能够监测电池的变化并研究特定参数对电池性能的影响，如表面积和粒径分布。结合3D微观结构可视化获得的信息，研究人员可以确定哪些操作条件和围观结构对于给定的电池将是最有利的，从而获得更加耐久，更高效的电池。

William Epting博士解释说，将这些独特的重建图与定制的计算代码一起使用，可以量化研究几种多孔SOFC电极结构特性与燃料电池性能的关系。这样一来，电极性质和电池性能可以实现空间可视化，就能看到燃料电池中的故障点。通过研究电极上这些性质的空间分布及其与性能和衰退的关系，他们的目标是改进燃料电池的材料和制造，以提高长期工作性能。

NETL还采用了一个辅助建模检测SOFC的特性，以确定如何优化电池，实现更好的耐久性。 NETL高级研究员Wenhai Wen博士解释说，在这种方法中，研究人员探索了电池运行条件下各种微结构属性如何影响的微观结构演化的过程，使用模拟合成SOFC微观结构方法研究SOFC性能衰退，这些结构用实体模型是难以构建和测试的。这种模拟工作的一个好处是，研究人员可以构建一个在性能和耐久性方面完美的燃料电池，而无需昂贵和费时的实验模型。

电极创新以改善SOFC性能

除了对燃料电池衰退原理的详细研究外，NETL的燃料电池研究人员还开发了新技术，以提高电池性能和效率，最终降低系统成本。这些创新之一是将催化剂渗透到SOFC的多孔电极中，这种纳米制造工艺已经获得了多个奖项。

这种渗透方法也采用了NETL研究人员设计的计算机模型，它可以控制渗透过程，将材料精确渗透到各个位置，使得固体和气体能够有序充分地接触，从而提高燃料电池的效率，获得最佳性能。通过渗透添加催化剂的方法，可以消除了原先SOFC中通常遇到的结构随机性问题，并将电催化剂分散到最有效的位置，从而显著改进SOFC的结构。

该技术能够有效地将SOFC从实验室推向市场：工业界可以轻松采用一步渗透法将SOFC实现批量生产。 NETL研究人员还创建了一种具有精细化学成分的精细催化剂，用于更均匀的沉积和声波喷涂。该制造过程可以实现自动沉积，从而避免了以前的多个热处理步骤，加快了催化剂生产效率。

产业合作伙伴的全尺寸测试表明，这种制造工艺产生的材料和纳米结构比传统电极更先进，功率密度增加，电极衰退减少，电池寿命延长一倍。该方法在最近公开的专利申请中表明，该方法将大大加快当前的研究进程，并最终实现先进SOFC（电极）的商业规模制造。

NETL的研究工作仍在继续，它的总体目标是加速洁净能源转化技术的建设和部署。随着对电池性能衰退的原理和影响SOFC耐久性的因素的进一步深入了解，研究人员可以设计出一些方法和工具，以减少特定条件下电池的衰减。这意味着耐久性更好、功能更加强大的SOFC将成为能源行业最具吸引力和竞争力的一员。