KIST首次解析下一代PCFC反应路径…提出高效氢燃料汽车与清洁氢生产设计蓝图
作为被视为氢能经济商业化关键瓶颈的下一代燃料电池“空气极黑箱”首次被打开。随着首次确认决定氢燃料电池效率的空气极内部反应会因材料不同而沿完全不同的路径进行，高效氢燃料汽车和用于清洁氢生产的燃料电池开发在设计方向上更加具体化。
韩国科学技术研究院（KIST）氢能材料研究团的Ji Hoil博士研究团队表示，已开发出一套能够阐明质子陶瓷燃料电池（PCFC）空气极氧还原反应机理的新型分析流程。研究成果刊登在能源与环境领域国际学术期刊《Energy & Environmental Science（EES）》最新一期。
PCFC是一种在500℃以下相对低温下运行的下一代氢燃料电池。与现有固体氧化物燃料电池相比，它可以降低系统制造成本并延长寿命，因此被视为氢燃料汽车、分布式电源和清洁氢生产领域的有力候选技术。但由于在空气极中氧、电子和氢离子（质子）同时交织反应的结构，使得难以找出效率下降的准确原因，这一直是一大局限。
以实验替代假设，反向追踪“速率决定步骤”
既有研究通常在数百种可能的反应路径中，由研究者先假设其中一种，再进行验证。如果最初假设有误，最终结论必然整体动摇。
研究团队突破了这一局限，设计出一种在不预设反应路径的前提下，将精密实验数据与材料固有的缺陷化学特性相结合的分析流程。其方法是先锁定决定整体反应速率的“速率决定步骤”，再以此为基准，反向追踪实际反应路径。
将这一流程应用于两种具有代表性的空气极材料后，研究团队首次在全球范围内确认，即便是同一种PCFC，氧还原反应路径也会因材料不同而完全不同。尤其是在水蒸气浓度升高时，一种材料的阻抗大幅下降，而另一种材料几乎没有变化，这一差异直接证明了二者存在不同的反应机理。
质子陶瓷燃料电池空气极中可能发生的反应路径示意图。质子陶瓷燃料电池的空气极会因空气极材料特性的不同而存在多种反应路径。由于存在这些多种可能性，难以明确定义空气极的反应机理。研究团队提供
View original image应用从氢燃料车扩展至氨和LOHC
此次成果的意义不仅在于单纯阐明反应机理，更在于为下一代燃料电池材料设计提出了标杆。研究具体指出了哪些缺陷结构与表面特性有利于实现高性能空气极，从而为高效率PCFC的商业化指明了方向。
随着PCFC技术高度发展，其应用有望从氢燃料汽车扩展到直接利用氨、液态有机氢载体（LOHC）等氢储存介质作为燃料的系统。通过反向运行，它还有望与光伏、风电、核能联用，构建大规模清洁氢生产装置。
KIST的Ji Hoil博士表示：“本研究从根本上揭示了氢燃料电池为何表现出较低效率的原因，将成为开发实现环保氢能经济所必需的高性能燃料电池的重要基础。”
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