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，其使用的電化學方法可以比現(xiàn)有的基于燃燒的發(fā)電機有更高的發(fā)電效率。但是燃料電池往往會迅速衰減，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)燃料電池動力學化學反應的新見解，這有助于引領(lǐng)更長壽命的綠色能源設(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)，”負責該研究的威斯康星大學麥迪遜分校材料科學與工程教授Dane Morgan說。 “但退化衰減問題一直是進入消費市場的主要障礙。”

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原因是這些設(shè)備必須在*的溫度下運行 - 超過800℃(1,500華氏度) - 以驅(qū)動產(chǎn)生電力的化學反應。

燃料電池將氧氣與外部燃料源結(jié)合在一起，這與火災中產(chǎn)生的熱量和光產(chǎn)生的轉(zhuǎn)變類似。然而，燃料電池中並沒有燃燒，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，由兩個電極隔開，電極是一種傳輸離子的材料。其中一個電極將來自空氣的氧氣分成單個原子，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電路作為電流移動到家庭或設(shè)備的電子。這種氧分解發(fā)生在稱為陰極上。

但氧氣相當穩(wěn)定，因此不易分裂開。使用相容材料在較低溫度下有效驅(qū)動反應的努力具有挑戰(zhàn)性，部分原因是研究人員確實不知道陰極發(fā)生的化學反應的原子級細節(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，氧氣會如何進入表面，分裂并進入材料，”該研究的學生Yipeng Cao說。

為了使氧氣進入陰極，氣體分子必須分成兩個原子。然后每個原子必須遇到一個稱為空位的結(jié)構(gòu)，這是一種在材料表面允許氧氣進入的小分子間隙。理解這個過程很困難，因為它發(fā)生在陰極的頂部原子層，其化學性質(zhì)可能與材料的大部分*不同。

“在前兩層測量成分和空位化學挑戰(zhàn)性，”摩根說。

關(guān)于為燃料電池提供動力的化學反應的新見解有助于引領(lǐng)更長壽命的綠色能源設(shè)備。

這就是他和同事轉(zhuǎn)向計算機模擬的原因。作為分子建模領(lǐng)域的領(lǐng)xian專家，他們將密度泛函理論和動力學建模相結(jié)合，以獲得對陰極頂部兩層發(fā)生的反應的原子級觀察和分析。

該團隊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)計變得非常難以實現(xiàn)，”摩根說。

研究人員專注于一種特殊材料，一種用于許多常見燃料電池陰極的模型化合物，稱為鑭鈷酸鍶。他們計劃盡快擴展分析以包含其他材料。

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

“我認為我們對如何控制氧氣交換過程有了更好的把握，”摩根說。 “這是早期的，但這可能為控制氧氣交換的廣泛適用的設(shè)計策略打開了大門。”