创新工艺开启廉价氢燃料电池普及的大门

作为化石燃料燃烧的替代品，氢燃料电池展现出巨大的潜力。然而，它们也以难以管理和成本高昂而闻名，这在很大程度上解释了为什么我们并没有在任何地方看到它们（除了少数几个正在“探索”其效率的项目）。但这种情况可能即将改变。

在8月8日发表于《自然・材料》杂志的一篇论文中，研究人员宣布开发出一种新型固体氧化物燃料电池（SOFC），解决了这些装置的一个根本性问题：温度。氢燃料电池是SOFC的一种，可直接将氢气转化为能量和水。尽管这一过程非常高效且持久，但却需要极高的运行温度，通常在1292至1472华氏度（700至800摄氏度）之间。

然而，这种新电池在仅572华氏度（300摄氏度）的温度下就能工作，不到之前所需温度的一半。“将工作温度降至300摄氏度，将大幅削减材料成本，并为消费级系统打开大门，”日本九州大学的材料工程师、该研究的高级作者吉山义弘在一份声明中表示。

具体来说，该团队专注于重新设计电解质，这是一种由不同原子结构以晶体晶格形式排列而成的陶瓷层。在氢燃料电池中，带正电的氢离子（质子）穿过这些晶体路径，将氢气转化为能量和水。通常情况下，燃料电池必须在极高温度下运行才能工作，而研究人员试图通过使用化学掺杂剂来绕过这一限制——这些物质被添加到材料中以改变其物理属性——并结合适当的氧化物晶体。

“但这也带来了挑战，”吉山解释说，“添加化学掺杂剂可以增加通过电解质的移动质子数量，但它通常会堵塞晶体晶格，减缓质子的移动速度。”

在测试了多种候选材料后，团队最终确定了两种化合物：钡锡石和钡钛酸盐。当在572华氏度的温度下掺入钪时，这两种材料展现出与现有SOFC在更高温度下相当的效率水平。

令人惊讶的是，钪原子与氧原子结合，形成了一条“宽阔且柔软振动的[分子]高速公路”，使质子能够以“异常低的迁移障碍”移动，吉山解释道。此外，他补充说，用于这种电解质的两种化合物比传统用于制造此类电池的材料更柔软，这可能就是这些化合物容易吸收钪掺杂剂的原因。

“我们的工作将一个长期存在的科学悖论转化为实用解决方案，使廉价氢能发电更贴近日常生活，”吉山说。

与室温相比，572华氏度仍然非常高。然而，这种降低仍然意义重大，并描绘了一幅降低运行温度的光明未来——以及进一步降低运行成本——以实现SOFC的广泛和实际应用。