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)布了有關燃料電池動力學化學反應的新見解，這有助于引領更長壽命的綠色能源設備。

“燃料電池是具有潛在能力的令人興奮的突破性新技術，”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，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。

關于為燃料電池提供動力的化學反應的新見解有助于引領更長壽命的綠色能源設備。

這就是他和同事轉(zhuǎn)向計算機模擬的原因。作為分子建模領域的領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計策略打開了大門。”