MTU 碳酸盐超结构固体燃料电池 (CSSFC) 在较低的工作温度下提供更高的功率密度

固体氧化物燃料电池 (SOFC) 具有高能效和燃料灵活性，但需要较高的工作温度。虽然降低 SOFC 的工作温度可以最大限度地减少材料降解并能够使用更便宜的材料，但电解质和电极电阻都会随着工作温度的降低呈指数增加。

现在，密歇根理工大学的研究人员展示了一种碳酸盐超结构固体燃料电池 (CSSFC)，其中在多孔的掺钐二氧化铈层中原位生成超结构碳酸盐，形成一种独特的电解质，具有 0.17 S⋅cm −1 的超高离子^电导率在 550 °C。CSSFC 在较低的工作温度下使用碳氢化合物燃料显示出更高的功率密度。一篇关于这项工作的开放获取论文发表在美国国家科学院院刊(PNAS) 上。

…使用碳氢化合物燃料的低温 SOFC (LT-SOFC) 会因温度下降和积碳（焦化）而导致极化损失。发生这种情况是因为 1) 由于强 C-H 键，碳氢化合物氧化动力学在较低温度下极其缓慢，以及 2) 碳沉积通过覆盖催化位点使电极失活。

……改善 LT-SOFC 碳氢化合物氧化和减少焦化的关键策略之一是提高电解质的氧离子电导率。…有两种常规策略可以提高 LT-SOFC 中电解质的氧离子电导率，即降低电解质厚度和开发快速离子导体。超薄电解质膜需要先进的技术，不可避免地增加了制造成本和复杂性。尽管氧化铋由于其丰富的氧空位而表现出令人印象深刻的氧离子电导率，但它们在 SOFC 运行条件下的稳定性差会阻碍其应用。因此，需要其他策略来开发高效的离子导体。

-苏等。

该团队假设熔融碳酸盐和固体离子导体之间的连续界面可以构成氧离子的快速传输通道——即，固体离子导体上的这种碳酸盐超结构将是氧离子超导体。

为了验证这一假设，我们通过集成 LiNi _0.8 Co _0.15 Al _0.05 O ₂ (NCAL) 阴极、多孔 Ce _0.8 Sm _0.2 O _1.9 (SDC) 电解质和 Ni-BaZr _0.1 Ce _0.7 Y _0.1 Yb _0.1制造了一种装置O _3–δ(BZCYYb) 阳极在这项工作中使用一步干压程序，无需高温烧结。电极和电解质在系统中保持多孔和纳米晶体结构。然后，多孔 NCAL 和 SDC 层中的熔融碳酸盐在电池运行条件下原位生成，从而形成碳酸盐超结构燃料电池 (CSSFC)。

此外，CSSFC 在 550°C 时表现出 0.17 S⋅cm ^-1的超高离子电导率，导致前所未有的高开路电压 (OCV) 和非常高的峰值功率密度 (PPD) 以及出色的抗结焦性550°C 的甲烷燃料。

-苏等。

(A)传统 SOFC、多孔 SOFC 和 CSSFC 的示意图。(B)以 Ni-BZCYYb 作为阳极在 550 °C 下以 CH ₄运行的不同燃料电池配置的 IVP 性能。(C)具有或不具有碳酸盐改性的不同电解质的氧离子电导率的温度依赖性 Arrhenius 图。(D) Ar 气氛中不同电解质的 DSC 图。苏等。

通讯作者胡云航估计CSSFC燃油效率可达60%。相比之下，内燃机的平均燃油效率在 35% 到 30% 之间。CSSFC 更高的燃油效率可能会降低车辆的二氧化碳排放量。

参考文献：Hanrui Su、Wei Zhang 和 Yun Hang Hu (2023) “Carbonate-superstructured solid fuel cells with hydrocarbon fuels” PNAS doi: 10.1073/pnas.2208750119

原文链接：https://www.greencarcongress.com/2023/04/20230409-mtu.html

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