新開發高效率電解質可望大幅降低燃料電池成本

研究人員宣稱，這類超晶格電解質的離子導電率較常規的燃料電池零件提高了近1億倍。這項新技術已得到了美國能源部所屬最大的科學和能源研究實驗室－─美國橡樹嶺國家實驗室(OakRidgeNationalLaboratory)的認可。

多家汽車業者DelphiAutomotiveSystems、BMW和Rolls-Royce，都曾公佈過有關固態氧化物燃料電池的開發計畫。而據了解，若在車用燃料電池中採用上述的新型超晶格電解質，將可大幅提高電池效率、降低生產成本。

「西班牙研究人員可以量測出他們所開發的超晶格材料的離子導電率，卻無法提供解釋。」美國橡樹嶺國家實驗室材料科技部門的MariaVarela表示：「我們能用圖片來說明上述材料導電性增強的原因。透過這些圖片我們可以清楚地看到緊繃且不規則的介面層分子結構，以及它們是如何排列以給離子提供更寬的傳送通道。」

Varela預測：「我不知道若燃料電池採用這類超晶格電解質，實際上能將效率提高多少，但我肯定它將大幅地降低燃料電池的成本。」進行這項研究的人員，分別是來自兩所位於西班牙馬德里的大學UniversidadComplutense和UniversidadPolitcnica。

固態氧化物燃料電池要求工作溫度高於1,000°F，但新的超晶格電解質不僅具有更高的滲透性，以便提高燃料電池的效率，同時可以工作在接近室溫下，這樣降低了其本身的溫度並且不像固態氧化物燃料電池一樣需要“熱身”一段時間後才能工作。

固態氧化物燃料電池的陰極和陽極被固態電解質分開，透過固態電解質的帶正電荷的氧離子數與電路中通過的帶負電荷的電子數量相等。電路的外部與燃料電池的電極相連。固態電解質與由Ford、Volkswagen、GE、Dupont和其它公司正著手研發的燃料電池中所採用聚合物電解質膜功能相同。

固態氧化物燃料電池的效率受限於電解質傳送氧離子的能力，而氧離子要在固態電解質的原子間傳遞。為了獲得更高效率，固態電解質燃料電池的工作溫度通常高於1,000°F。新的超晶格電解質材料內部結構具有更寬的縫隙讓氧離子通過，而不必由一個原子傳送給另一個原子。這樣即便在室溫條件下，材料的原子導電率也有了極大的提高。

新材料採用鋯(zirconium)氧化物層和鈦酸鍶(titaniumstrontium)氧化物層交疊，這類膜質材料氧離子滲透性增強要歸因於交疊層中的失配晶格。橡樹嶺國家實驗室的研發人員表示，他們用解析度約0.6埃(angstroms，光譜線波長單位)的300KV、Z對比掃描傳送電子顯微鏡，觀察到了失配晶格和由此產生的縫隙。

Varela表示：「根據我們的觀察發現，因氧化層之間的晶格失配導致了大量氧離子通道的形成。」研究人員將把觀察結果給那些想要採用新型交互層超晶格電解質開發固態氧化物燃料電池的研發團隊傳閱。

從圖中的離子導電型材料分子結構模型，就可以看出為什麼它會具有更好的離子導電性；因為超晶格層間的介面存在大量離子空隙，因而形成一個允許更多離子通過的開放通道。














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