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

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構性挑戰，把這項技術升級到實用尺寸，而且具有按比例提高的功率輸出。

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

“這項工作的突破是，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，就可表明這種技術具有可擴展性，”主要研究者西里拉姆•拉馬納坦（Shriram Ramanathan）說，他是哈佛工程與應用科學學院材料科學副教授。

固體氧化物燃料電池產生電能是通過電化學反應，這種反應發生在一種超薄膜上。這種100納米厚的膜包含電解質和電極，需要足夠薄，可以讓離子穿過，而且要在相對低溫下（對于陶瓷燃料電池，溫度范圍是300至500攝氏度）。這些低溫可實現快速啟動，更緊湊的設計，并減少稀土材料的使用。

但到目前為止，薄膜已成功應用的只是在微型固體氧化物燃料電池上，每個芯片在燃料電池晶圓中大約是100微米寬。為了實際應用，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。

電化學膜是如此之薄，這種尺度上創造一個膜，大致相當于制作一張16英尺寬的紙。當然，結構性問題很重要。

“如果你制作傳統的薄膜，在那種尺度，沒有支持結構，你不能做任何事情，它會斷裂，”合著者博蒯賴（Bo-Kuai Lai）說，他是哈佛工程與應用科學學院博士后研究員。“你制作膜是在實驗室里，但你甚至不能把它拿出來。它只會粉碎。”

首席作者土屋勝（Masaru Tsuchiya）是09級博士，他是拉馬納坦實驗室以前的成員，現在在西能公司，他與拉馬納坦及博蒯賴強化了這種薄膜，使用的金屬網格樣子就像納米級的鐵絲網。

這種微小的金屬蜂窩提供了關鍵的結構性因素，用于這種大型膜，同時也用作集電器（current collector）。拉馬納坦的團隊能夠制造的膜芯片（membrane chip）為5毫米寬，要把幾百個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格，取得了結構上的成功，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轉換為功率輸出，這樣的功率輸出足夠高，可用于相關的便攜式電源。

拉馬納坦實驗室先前的研究已經開發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，用于大型燃料電池，提高它們的普及性。

在未來幾個月內，他們將探索新型納米結構的陽極，用來替代氫燃料，這種替代品可低溫運行，他們會努力改進這些微觀結構穩定的電極。

這項研究的支持部分來自美國國家科學基金會（NSF：National Science Foundation），工作的進行部分是在哈佛大學納米系統中心（Harvard University Center for Nanoscale Systems），這個中心是個成員單位，屬于國家科學基金會資助的國家納米技術基礎設施網絡（National Nanotechnology Infrastructure Network）。