研究人员采用的微通道设计工艺
什么是SOFC
在了解固体氧化物燃料电池之前，我们需要先知道什么是燃料电池。从外观上看起来，燃料电池就像是一个蓄电池，有阴极、阳极也有电解质。但它们最大的不同之处在于，蓄电池是一个储电装置，燃料电池是一个发电装置，它能够让具有可燃性的燃料与氧反应产生电。因此只要有持续的燃料供应，燃料电池就能源源不断地产生电力。
燃料电池最大的优势是高效和环境友好。目前普通燃油发电机只能把18%的化学能转化为电能，如果是汽车发动机，其最终转化率还不足15%。相比之下，不少燃料电池都可以实现30%到50%的转化率。高效率意味着燃料电池能够在消耗更少燃料、产生更少污染的情况下，产生与传统发电厂相同的电量。
固体氧化物燃料电池是新一代燃料电池，能够在高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化成电能。无论是氧气、沼气、氢气还是柴油、汽油，都可以作为其发电的燃料。与其他燃料电池相比，固体氧化物燃料电池还具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点。
着眼于小放眼于大
固体氧化物燃料电池是一种很有前途的技术，能够提供清洁高效的能源。到目前为止，大多数人都将注意力集中在能产生1兆瓦或更多电力的、可取代传统发电站的较大系统的研究上，以期产生突破性的成果。为何西北太平洋国家实验室的科学家非要剑走偏锋，将注意力集中在小系统的研发上呢？
该实验室固体氧化物燃料电池项目首席工程师文森特·斯普瑞克解释说：“因为小系统也有优势，有时候甚至还能胜过大系统。”家庭和社区用户就是这样一个实例：如果安置大型系统，其产生的电力将超过附近地区的耗电量，如此一来就必须通过输电线路将其输送到其他地方。而这一过程必然会造成一些电力的损耗。另一方面，小系统更加轻便灵活，安装位置可以更靠近用户，输送成本和损耗会更低，如果需要的话还能将其集成起来形成更大的系统。
为此，科学家们提出了一个设想，这个小型发电系统既要在效率上超过50%，又要在需要时能够轻松扩展进行分布式发电。
两项创新解难题
为了实现这一目标，让小型系统产生接近甚至高于大型系统的效率，研究人员采用了两项名为微通道和燃料循环的工艺。
固体氧化物燃料电池由陶瓷材料制成，分为正极、负极和电解液三个层次。工作时，经过压缩的空气预热后首先被泵入作为负极的外层，空气中的氧气会变成带负电荷的超氧阴离子。而后负极和内部的电解质层相接，氧离子穿过电解液达到正极层，在那里氧离子与燃料发生反应产生电及副产品蒸汽和二氧化碳。
但此前的方法是让蒸汽直接暴露于燃料电池之中，这会导致燃料电池中的陶瓷层受热不均甚至损坏。新研究中，科学家们采用了一种微通道技术，让蒸汽从外部完成和燃料电池的初步反应，不但减少了电池的损坏，还增加了反应的表面积，提高了反应效率。通过该技术，反应过程中的余热和废气也能重新得到利用，又进一步减少了燃料的消耗。
实验显示，经过优化后的系统在2.2千瓦时、1.7千瓦时的效率分别可以达到48.2%和56.6%。研究小组预计，只需再进行几个小的调整，他们还能将系统效能提高到60%。这不但高于内燃机15%的效率，也远高于同等体积的其他燃料电池30%到50%的效率。他们制造的单个试验系统已能产生2千瓦的电力，这与一个典型的美国家庭的耗电量大体相当。经过扩展后，该系统还能升级到100千瓦至250千瓦之间，能够满足50个至100个美国家庭的用电需求。
斯普瑞克对这一结果十分满意。他说：“虽然这种小型固体氧化物燃料电池成本较高，目前还无法大规模推广，但这项工作向人们证实了这种技术的可行性，说明在增加发电量的同时减少二氧化碳排放并不是痴心妄想。”他希望这项技术能尽快在单个家庭或公司获得应用。
相关论文发表在学术期刊《电源》上。
