固體氧化物燃料電池 (SOFC) 具有高能效和燃料靈活性，但需要較高的工作溫度。雖然降低 SOFC 的工作溫度可以最大限度地減少材料降解并能夠使用更便宜的材料，但電解質和電極電阻都會隨著工作溫度的降低呈指數增加。
現在，密歇根理工大學的研究人員展示了一種碳酸鹽超結構固體燃料電池 (CSSFC)，其中在多孔的摻釤二氧化鈰層中原位生成超結構碳酸鹽，形成一種獨特的電解質，具有 0.17 S?cm ?1 的超高離子電導率在 550 °C。CSSFC 在較低的工作溫度下使用碳氫化合物燃料顯示出更高的功率密度。一篇關于這項工作的開放獲取論文發表在美國國家科學院院刊(PNAS) 上。
…使用碳氫化合物燃料的低溫 SOFC (LT-SOFC) 會因溫度下降和積碳（焦化）而導致極化損失。發生這種情況是因為 1) 由于強 C-H 鍵，碳氫化合物氧化動力學在較低溫度下極其緩慢，以及 2) 碳沉積通過覆蓋催化位點使電極失活。
……改善 LT-SOFC 碳氫化合物氧化和減少焦化的關鍵策略之一是提高電解質的氧離子電導率。…有兩種常規策略可以提高 LT-SOFC 中電解質的氧離子電導率，即降低電解質厚度和開發快速離子導體。超薄電解質膜需要先進的技術，不可避免地增加了制造成本和復雜性。盡管氧化鉍由于其豐富的氧空位而表現出令人印象深刻的氧離子電導率，但它們在 SOFC 運行條件下的穩定性差會阻礙其應用。因此，需要其他策略來開發高效的離子導體。
-蘇等。
該團隊假設熔融碳酸鹽和固體離子導體之間的連續界面可以構成氧離子的快速傳輸通道——即，固體離子導體上的這種碳酸鹽超結構將是氧離子超導體。
為了驗證這一假設，我們通過集成 LiNi?0.8?Co?0.15?Al?0.05?O?2?(NCAL) 陰極、多孔 Ce?0.8?Sm?0.2?O?1.9?(SDC) 電解質和 Ni-BaZr?0.1?Ce?0.7?Y?0.1?Yb?0.1制造了一種裝置O?3–δ(BZCYYb) 陽極在這項工作中使用一步干壓程序，無需高溫燒結。電極和電解質在系統中保持多孔和納米晶體結構。然后，多孔 NCAL 和 SDC 層中的熔融碳酸鹽在電池運行條件下原位生成，從而形成碳酸鹽超結構燃料電池 (CSSFC)。
此外，CSSFC 在 550°C 時表現出 0.17 S?cm?-1的超高離子電導率，導致前所未有的高開路電壓 (OCV) 和非常高的峰值功率密度 (PPD) 以及出色的抗結焦性550°C 的甲烷燃料。
-蘇等。
(A)傳統 SOFC、多孔 SOFC 和 CSSFC 的示意圖。(B)以 Ni-BZCYYb 作為陽極在 550 °C 下以 CH?4運行的不同燃料電池配置的 IVP 性能。(C)具有或不具有碳酸鹽改性的不同電解質的氧離子電導率的溫度依賴性 Arrhenius 圖。(D)?Ar 氣氛中不同電解質的 DSC 圖。蘇等。
通訊作者胡云航估計CSSFC燃油效率可達60%。相比之下，內燃機的平均燃油效率在 35% 到 30% 之間。CSSFC 更高的燃油效率可能會降低車輛的二氧化碳排放量。
參考文獻：Hanrui Su、Wei Zhang 和 Yun Hang Hu (2023) “Carbonate-superstructured solid fuel cells with hydrocarbon fuels” PNAS? doi: 10.1073/pnas.2208750119
原文鏈接：https://www.greencarcongress.com/2023/04/20230409-mtu.html
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