新型低溫燃料電池可以改變氫能
隨著全球能源需求持續上升，研究人員、行業領導者、政府和其他利益相關者正在共同努力探索生產能源的新方法。隨著世界面臨氣候危機並尋求化石燃料的替代品，這一努力變得更加緊迫。
固體氧化物燃料電池（SOFC）是一項備受關注的技術。與釋放儲存的化學能的電池不同，這些燃料電池將化學燃料直接轉化為電能，並且只要有燃料可用就繼續發電。許多人已經熟悉氫燃料電池，它利用氫氣來產生電力和水。
為什麼高工作溫度是主要挑戰
儘管 SOFC 以其高效率和長使用壽命而聞名，但它們有一個嚴重的局限性：它們需要 700-800°C 左右的高溫才能正常運行。達到並維持這些溫度需要能夠承受高溫的特殊材料，這使得系統變得昂貴。
九州大學的研究人員在《自然材料》雜誌上發表報告稱，他們已經開發出一種只能在 300°C 下工作的 SOFC。該團隊表示，這一進步可以大大降低成本，有助於製造低溫 SOFC，並加速實際應用。
電解質在燃料電池性能中的關鍵作用
每個 SOFC 的核心都是一種稱為電解質的組件，它是一種陶瓷層，可在燃料電池的電極之間移動帶電粒子。在氫燃料電池中，該層攜帶氫離子（質子或質子），使電池能夠發電。然而，電解質通常需要非常高的溫度才能足夠快地移動這些質子以實現有效運行。
領導這項研究的九州大學跨學科能源研究平台的 Yoshihiro Yamazaki 教授表示：“將工作溫度降低至 300°C 將降低材料成本，並為消費級系統打開大門。” “然而，沒有任何已知的陶瓷能夠在如此‘溫暖’的條件下如此快地傳輸質子。因此我們著手打破這一瓶頸。”
解決晶格中的摻雜劑問題
電解質由排列在晶格中的原子構成。質子穿過這些原子之間的空間。科學家們花了數年時間測試各種材料和化學摻雜劑（改變材料特性的物質），以提高質子穿過晶格的運動速度。
“但這也伴隨著挑戰，”山崎解釋道。 “添加化學摻雜劑可以增加通過電解質的移動質子數量，但它通常會堵塞晶格，減慢質子的速度。我們尋找可以吸收大量質子並讓它們自由移動的氧化物晶體。我們的新研究最終達到了平衡。”
使用 Sc 摻雜 BaSnO3 和 BaTiO3 突破 300 °C
該組由兩種氧化物組成：錫酸鋇 (BaSnO3）和鈦酸鋇（BaTiO3），摻雜高含量的鈧（Sc），在 300 °C 時達到了超過 0.01 S/cm 的質子電導率。該電導率與當前 SOFC 電解質在 600-700 °C 下實現的電導率相似。
“結構分析和分子動力學模擬表明，Sc 原子與周圍的氧結合”形成 ScO6 高速公路”，質子的旅行會遇到不尋常的遷移障礙。這使得路徑寬且輕輕振動，從而避免了重摻雜氧化物通常經歷的質子捕獲，”山崎說。 “晶格動力學數據還表明，BaSnO。3 和鈦酸鋇3 SOFC 本質上比傳統材料‘更軟’，這使得它們能夠比之前假設的吸收更多的鈧。 ”
打開經濟實惠的低溫燃料電池的大門
這些結果扭轉了長期以來添加更多摻雜劑和保持快速離子運動之間的權衡，為經濟實惠的中溫 SOFC 提供了一條有前途的途徑。
“除了燃料電池之外，同樣的原理還可以應用於其他技術，例如低溫電解槽、氫泵和二氧化碳轉化反應器。2 將它們轉化為有價值的化學產品，從而擴大脫碳的影響。我們的工作將長期存在的科學悖論轉化為實用的解決方案，使可用的氫能更接近日常生活，”山崎總結道。
