Science观点：在300°至500°C的温度下工作的燃料电池

作者：倪萌*、邵宗平*

将陶瓷燃料电池（CFC）的工作温度从800°C-1000°C降低到300°C-500°C的范围将提高效率，密封性，耐用性和成本。同时，与低温燃料电池相比（诸如聚合物电解质燃料电池），它们仍能保持良好的电极反应动力学。

传统的CFC有一种氧离子导电电解质（OCFC），通常在800℃以上工作，以实现氧离子的快速传输。由于质子具有较低的扩散势垒，质子CFCs（PCFCs）通常被认为比传统的OCFCs更有希望在低温下工作。另外，由于稀释燃料的H2O是在PCFCs的阴极室中产生的，因此人们期望得到更高的燃料利用率和更高的理论性能。

除燃料电池外，高导电性的质子导体在制氢、氨的电化学合成、脱氢或加氢、氢分离等应用中也有需求。在反向操作中，PCFCs可以作为质子陶瓷电解槽（PCECs）通过蒸汽电解制氢。与需要贵金属催化剂（如铂）和高电能输入的低温（100°C以下）聚合物基电解槽电池相比，PCEC可以使用非精细催化剂，所需的电能输入部分被热能代替。因此，PCFCs的可逆运行使其成为储存过剩的可再生太阳能或风能的理想选择，并能有效地利用工业余热。

基于质子导体的电化学电池可以在大气压下合成氨，氢氨转化率高达78%。这项技术的成功实施需要高导电率的质子导体和对氨合成具有高选择性的催化剂。

要实现实际应用，还需要进一步的研究。此前，报道了采用无高温烧结的干压法制备复合电解质，使其具有多孔性，然而氧气通过气孔直接氧化燃料会降低整体燃料效率。

氢气氛下NaxCoO2的亚稳性是另一个值得关注的问题。这种化合物的还原会生成金属钴和NaO，而NaO可以进一步与水反应生成NaOH。这种化合物本身具有318°C的低熔点，熔融的NaOH可以在燃料电池的工作温度370°C至520°C下导电。

近日，香港理工大学倪萌教授、南京工业大学的邵宗平在国际顶级期刊Science (影响因子：41.845) 上发表题为“Fuel cells that operate at 300° to 500°C”的观点文章。

作者介绍了一种由NaxCoO2/CeO2复合材料组成的电解质，在370°到520°C下，其电导率为0.1至0.3 S cm−1。作者认为，质子扩散（与众所周知的Grotthuss和载体机制不同）仅限于NaxCoO2/CeO2异质结构界面。这是由于Ce-O和Co-O层间电荷分布不平衡，在界面区域内产生的局部电场（LEF）驱动的。

此外，作者介绍了一种电解质厚度为400μm的电池，在520°和490°C的炉温下达到了1000和830 mW cm−2的峰值功率密度。这些值大大高于使用著名薄膜BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-δ电解质（500°C时为455 mW cm−2）和OCFC（550°C时为500 mW cm−2）。 

质子（H+）在电解质中的传输在低温应用中极具潜力。

Grotthuss机制允许“过量”的H+或缺陷通过键的形成和断裂扩散到水分子的氢键网络中。

载体机制允许H+迁移到另一个元素上。例如，在钙钛矿结构氧化物中形成OH-和氧空位（Vo）。

Wu等人提出了局部电场（LEF）促进的扩散机制，其中H+沿氧化物界面迁移。这就要求氧和钠空位（VNa）产生的电荷分布不平衡。

含有丰富的钴和镍氧化物的复合物，被广泛地用作传统碱性燃料电池的电极。进一步的综合研究将有助于阐明燃料电池运行过程。对于电池长期稳定性的评估以及探寻是否有可行的商业化途径很重要。

为了改进在300°到500°C范围内工作的高效PCFC，需要使用不同的阴极和阳极材料。例如，硫沉积物和焦炭会在阳极材料上堆积，因此开发耐这些工艺的材料将提高电池性能以及耐久性。阴极侧产生的水尤其有害，因为它可能阻碍PCFCs阴极上的氧还原。这些问题的解决将实现高导电率质子导体在PCFCs和其他相关电化学系统中的成功应用。

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