在所有的燃料電池中，SOFC的工作溫度高，而且效率高,SOFC是傳統(tǒng)發(fā)電廠的有前途有潛力的替代品，其使用的電化學(xué)方法可以比現(xiàn)有的基于燃燒的發(fā)電機(jī)有更高的發(fā)電效率。但是燃料電池往往會(huì)迅速衰減，隨著成本的增加，任何增加的效率都被抵消了。

現(xiàn)在，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的工程師們已經(jīng)發(fā)布了有關(guān)燃料電池動(dòng)力學(xué)化學(xué)反應(yīng)的新見(jiàn)解，這有助于引領(lǐng)更長(zhǎng)壽命的綠色能源設(shè)備。

“燃料電池是具有潛在能力的令人興奮的突破性新技術(shù)，”負(fù)責(zé)該研究的威斯康星大學(xué)麥迪遜分校材料科學(xué)與工程教授Dane Morgan說(shuō)。 “但退化衰減問(wèn)題一直是進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)的主要障礙。”

他和他的合作者近在Nature Communications雜志上描述了他們的發(fā)現(xiàn)。

一組Bloom Energy Servers使用固體氧化物燃料電池發(fā)電。

固體氧化物燃料電池可用于各種應(yīng)用，包括有效地為建筑物產(chǎn)生主要或緊急備用電力

燃料電池退化的一個(gè)原因是這些設(shè)備必須在*的溫度下運(yùn)行 - 超過(guò)800℃(1,500華氏度) - 以驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電力的化學(xué)反應(yīng)。

燃料電池將氧氣與外部燃料源結(jié)合在一起，這與火災(zāi)中產(chǎn)生的熱量和光產(chǎn)生的轉(zhuǎn)變類(lèi)似。然而，燃料電池中並沒(méi)有燃燒，這就是燃料電池能夠以比燃燒效率更高的效率產(chǎn)生能量的原因。

相反，燃料電池在某種程度上像電池一樣工作，由兩個(gè)電極隔開(kāi)，電極是一種傳輸離子的材料。其中一個(gè)電極將來(lái)自空氣的氧氣分成單個(gè)原子，然后可以將其輸送并與燃料結(jié)合。重要的是，分裂的氧氣釋放出可以通過(guò)電路作為電流移動(dòng)到家庭或設(shè)備的電子。這種氧分解發(fā)生在稱(chēng)為陰極上。

但氧氣相當(dāng)穩(wěn)定，因此不易分裂開(kāi)。使用相容材料在較低溫度下有效驅(qū)動(dòng)反應(yīng)的努力具有挑戰(zhàn)性，部分原因是研究人員確實(shí)不知道陰極發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的原子級(jí)細(xì)節(jié)是什么。

“以前，研究人員真的不明白限制氧氣的步驟是什么，氧氣會(huì)如何進(jìn)入表面，分裂并進(jìn)入材料，”該研究的學(xué)生Yipeng Cao說(shuō)。

為了使氧氣進(jìn)入陰極，氣體分子必須分成兩個(gè)原子。然后每個(gè)原子必須遇到一個(gè)稱(chēng)為空位的結(jié)構(gòu)，這是一種在材料表面允許氧氣進(jìn)入的小分子間隙。理解這個(gè)過(guò)程很困難，因?yàn)樗l(fā)生在陰極的頂部原子層，其化學(xué)性質(zhì)可能與材料的大部分*不同。

“在前兩層測(cè)量成分和空位化學(xué)挑戰(zhàn)性，”摩根說(shuō)。

關(guān)于為燃料電池提供動(dòng)力的化學(xué)反應(yīng)的新見(jiàn)解有助于引領(lǐng)更長(zhǎng)壽命的綠色能源設(shè)備。

這就是他和同事轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)模擬的原因。作為分子建模領(lǐng)域的領(lǐng)xian專(zhuān)家，他們將密度泛函理論和動(dòng)力學(xué)建模相結(jié)合，以獲得對(duì)陰極頂部?jī)蓪影l(fā)生的反應(yīng)的原子級(jí)觀察和分析。

該團(tuán)隊(duì)確定分裂不是研究材料中的限速步驟。他們了解到，限制燃料電池效率的是氧原子在表面找到并進(jìn)入空位的方式。

因此，具有更多空位的材料可能使燃料電池更有效。

“這可能使材料設(shè)計(jì)變得非常難以實(shí)現(xiàn)，”摩根說(shuō)。

研究人員專(zhuān)注于一種特殊材料，一種用于許多常見(jiàn)燃料電池陰極的模型化合物，稱(chēng)為鑭鈷酸鍶。他們計(jì)劃盡快擴(kuò)展分析以包含其他材料。

這些發(fā)現(xiàn)也可能對(duì)燃料電池產(chǎn)生影響。與環(huán)境交換氧氣的材料有許多應(yīng)用，包括水分解，CO2還原，氣體分離和稱(chēng)為記憶電阻（memristors）的電子元件。

“我認(rèn)為我們對(duì)如何控制氧氣交換過(guò)程有了更好的把握，”摩根說(shuō)。 “這是早期的，但這可能為控制氧氣交換的廣泛適用的設(shè)計(jì)策略打開(kāi)了大門(mén)。”