固体氧化物燃料电池研究获两项重大进展

2010-11-22 09:32 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网11月17日报道,美国哈佛大学的科学家最近报告了其在固体氧化物燃料电池(SOFCs)领域取得的两项进展:其一是电池中不再使用铂材料;其二是将电池的运行温度降低至300摄氏度到500摄氏度之间。研究人员表示,基于SOFCs在更低的操作温度、更丰富的燃料来源以及更便宜的材料方面取得的进步,SOFCs可能很快成为一项主流技术,未来将能给手提电脑或手机供电。

  哈佛大学工程和应用科学学院(SEAS)的施瑞拉姆·拉曼拉森是SOFCs领域的专家和革新者,他的研究团队在本月出版的《电源杂志》上介绍了他们的最新成果。

  向铂材料“拜拜”

  SOFCs属于第三代燃料电池,这种全固态化学发电装置可在中高温条件下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能。但是,可靠性、温度和成本一直是用SOFCs给手提电脑、手机充电或驱动下一代汽车和卡车所遇到的“拦路虎”。

  在SOFCs中,氧离子从阴极通过电解液朝阳极进发,在阳极产生电流并回流到阴极。其原理似乎很简单,但迄今为止,SOFCs一直更适合实验室而不是办公室或汽车。

  拉曼拉森团队的第一篇论文中介绍了一种可以稳定运行、功能性的全陶瓷薄膜电池,最重要的是,这种电池不需要铂材料。铂是微型SOFCs常用的电极材料,但铂非常昂贵而且不稳定。拉曼拉森表示,如果使用多孔的金属电极,从本质上来讲,它们可能无法长时间保持稳定,会凝聚结块并在燃料电池内制造开路电路。因此,在其研制的新型薄膜SOFCs中,研究人员采用了紧密的特殊的陶瓷薄膜包裹层(每一层的厚度仅为几纳米),不仅不需要铂或者多孔金属电极,还将电解液的使用量减少到以前的百分之一甚至千分之一,从而使新电池成本更低、可靠性更高。

  可在更低温度下运行

  在第二篇论文中,该研究团队演示了一款由甲烷提供电力的微型SOFCS,其运行温度在500摄氏度以下,比以前有了很大的进步。

  传统SOFCs的运行温度一般是800摄氏度到1000摄氏度,用它们无法给智能手机充电。最近几年,材料科学家一直试图将操作温度降低到300摄氏度到500摄氏度之间。而且,当燃料电池的运行温度更低时,对材料就不再那么挑剔,也就允许将不那么昂贵的陶瓷和金属结合在一起使用。

  拉曼拉森表示,在这个领域内,低温是“圣杯”。如果能够让高效率的SOFCs在300摄氏度到500摄氏度的温度下运行,人们就可以在交通工具或便携式电子产品上使用它们,并且可以使用不同的燃料来源。

  该研究团队研发出的新SOFCs使用的是储量丰富且便宜的天然气甲烷。迄今为止,SOFCs中使用的主要燃料是氢气,拉曼拉森表示,制造纯净的氢气非常昂贵,这限制了SOFCs的应用范围。随着甲烷取代氢气成为SOFCs的主要燃料来源,在温度、可靠性和价格等方面取得的进展会互相加强。

  拉曼拉森补充道,他们将进行进一步的研究,探索新型的用于甲烷SOFCs的催化剂,最终找到便宜丰富、有助于进一步降低运行温度的材料。

  哈佛大学电子工程学助理教授罗伯特·伍德领导的研究团队目前正在开发小型飞行机器人RoboBees项目,旨在利用全新技术研发出一种低功耗、高贮能、高智能、可持续飞行的仿生飞行机器人。拉曼拉森和伍德希望,新的微型SOFCs能够为该机器人提供电力,让其离开地面。