這是一款全功能的固體氧化物燃料電池膜晶圓（membrane wafer）。這種結(jié)構(gòu)表面的每個(gè)方塊芯片都可提高穩(wěn)定性，這種令人難以置信的薄膜可用作電化學(xué)膜（electrochemical membrane）。來源：哈佛大學(xué)
 

固體氧化物燃料電池以前是工作在微觀尺度，這是第一次有研究小組克服結(jié)構(gòu)性挑戰(zhàn)，把這項(xiàng)技術(shù)升級(jí)到實(shí)用尺寸，而且具有按比例提高的功率輸出。

在線報(bào)道發(fā)表在《自然•納米技術(shù)》上，演示的這種全功能固體氧化物燃料電池顯示，有可能使電化學(xué)燃料電池成為一種可行的清潔能源來源。

“這項(xiàng)工作的突破是，我們演示的功率密度可比你用微型膜所得到的，但是，采用的膜約有100倍大時(shí)，就可表明這種技術(shù)具有可擴(kuò)展性，”主要研究者西里拉姆•拉馬納坦（Shriram Ramanathan）說，他是哈佛工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院材料科學(xué)副教授。

固體氧化物燃料電池產(chǎn)生電能是通過電化學(xué)反應(yīng)，這種反應(yīng)發(fā)生在一種超薄膜上。這種100納米厚的膜包含電解質(zhì)和電極，需要足夠薄，可以讓離子穿過，而且要在相對(duì)低溫下（對(duì)于陶瓷燃料電池，溫度范圍是300至500攝氏度）。這些低溫可實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)，更緊湊的設(shè)計(jì)，并減少稀土材料的使用。

但到目前為止，薄膜已成功應(yīng)用的只是在微型固體氧化物燃料電池上，每個(gè)芯片在燃料電池晶圓中大約是100微米寬。為了實(shí)際應(yīng)用，比如使用緊湊型電源，固體氧化物燃料電池就需要有大約50倍大。

電化學(xué)膜是如此之薄，這種尺度上創(chuàng)造一個(gè)膜，大致相當(dāng)于制作一張16英尺寬的紙。當(dāng)然，結(jié)構(gòu)性問題很重要。

“如果你制作傳統(tǒng)的薄膜，在那種尺度，沒有支持結(jié)構(gòu)，你不能做任何事情，它會(huì)斷裂，”合著者博蒯賴（Bo-Kuai Lai）說，他是哈佛工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院博士后研究員。“你制作膜是在實(shí)驗(yàn)室里，但你甚至不能把它拿出來。它只會(huì)粉碎。”

首席作者土屋勝（Masaru Tsuchiya）是09級(jí)博士，他是拉馬納坦實(shí)驗(yàn)室以前的成員，現(xiàn)在在西能公司，他與拉馬納坦及博蒯賴強(qiáng)化了這種薄膜，使用的金屬網(wǎng)格樣子就像納米級(jí)的鐵絲網(wǎng)。

這種微小的金屬蜂窩提供了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)性因素，用于這種大型膜，同時(shí)也用作集電器（current collector）。拉馬納坦的團(tuán)隊(duì)能夠制造的膜芯片（membrane chip）為5毫米寬，要把幾百個(gè)這樣的芯片集成到手掌大小的固體氧化物燃料電池硅片上。

雖然其他研究人員較早嘗試采用這種金屬網(wǎng)格，取得了結(jié)構(gòu)上的成功，但是，拉馬納坦小組首次演示了一種功能齊全的固體氧化物燃料電池，而且是在這樣的尺度。他們的燃料電池功率密度是每平方厘米155毫瓦（510攝氏度），可比微觀固體氧化物燃料電池的功率密度。

成倍增加來自更大的有效面積（active area），這種新燃料電池的功率密度會(huì)轉(zhuǎn)換為功率輸出，這樣的功率輸出足夠高，可用于相關(guān)的便攜式電源。

拉馬納坦實(shí)驗(yàn)室先前的研究已經(jīng)開發(fā)出微型固體氧化物燃料電池，這種電池是全瓷的，或使用沼氣作為燃料源，而不是使用氫。研究人員希望，今后研究固體氧化物燃料電池要集成這些技術(shù)，用于大型燃料電池，提高它們的普及性。

在未來幾個(gè)月內(nèi)，他們將探索新型納米結(jié)構(gòu)的陽極，用來替代氫燃料，這種替代品可低溫運(yùn)行，他們會(huì)努力改進(jìn)這些微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的電極。

這項(xiàng)研究的支持部分來自美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF：National Science Foundation），工作的進(jìn)行部分是在哈佛大學(xué)納米系統(tǒng)中心（Harvard University Center for Nanoscale Systems），這個(gè)中心是個(gè)成員單位，屬于國家科學(xué)基金會(huì)資助的國家納米技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)（National Nanotechnology Infrastructure Network）。