发完Science又发Nature，中国留学生发明超长寿命燃料电池！

第一作者：Chuancheng Duan

通讯作者：Chuancheng Duan、Ryan O’Hayre

第一单位：科罗拉多州立矿业学院（美国）

研究亮点：

1.发明了一种不积碳、不怕硫的超长寿命质子陶瓷燃料电池。

2.系统研究了这种质子陶瓷燃料电池对 11 种燃料的通用性。

化石能源污染大，不可再生，意欲取而代之者芸芸。燃料电池作为清洁能源的代表之一，具有高效率、无污染、成本低等优势，商业前景诱人。目前研究较多的固体氧化物燃料电池（ SOFC ）虽然具有高达 50% 以上的发电效率，但是极易积碳和硫中毒，导致性能急剧下降，寿命不继。

因此，许多研究人员把研究目光放到了另一种燃料电池身上：质子陶瓷燃料电池（ PCFC ）。 PCFC 不仅具有可与 SOFC 媲美的高效发电效率，而且在抗积碳和抗硫中毒方面更具优势。

图1. 低温质子陶瓷燃料电池

Chuancheng Duan, Jianhua Tong，Ryan O’Hayre et al. Readily processed protonic ceramic fuel cells with high performance at low temperatures. Science 2015, 349, 1321-1326.

早在 2015 年，美国科罗拉多州立矿业学院 Ryan O'Hayre 教授课题组就曾在 Science 报道了一种低温 SOFC ，当时的第一作者是本科毕业于中国大连理工大学的中国留学生 Chuancheng Duan 。

Ryan O'Hayre（左）和Chuancheng Duan（右）

而 3 年后的今天，又是这对师徒作为共同通讯作者联手攻关，在 Nature 杂志报道了一种不积碳、不怕硫、 11 种燃料通用的超长寿命质子陶瓷燃料电池！

图2. 11种燃料通用的超长寿命质子陶瓷燃料电池

研究人员以 BZY20 、 NiO 、 BaCO ₃ 、 ZrO ₂ 、 Y ₂ O ₃ 等粉体为原料分别制备负极材料和电解质， BaCo _0.4 Fe _0.4 Zr _0.1 Y _0.1 O _3−δ 为正极材料，系统考察了氢气、甲烷、天然气（含硫和不含硫）、丙烷、正丁烷、异丁烷、异辛烷、甲醇、乙醇、氨等 11 种燃料在 500-600 ℃条件下对这种 PCFC 的适用性。所有材料未经任何修饰，燃料未经前处理。

研究结果表明：

1）所有 11 种燃料可在测试条件下稳定工作 1000 小时而不发生明显性能衰退（ <1.5% ），部分燃料功能的 PCFC 可以在测试条件下稳定工作超过 6000 小时。

2 ）电池峰值功率密度可达到 0.17 （异辛烷） ~0.66 （ H ₂ ） W cm ^-2 。

3 ）电池可忍受较大的温度波动，并在上千小时的测试过程中几乎不发生积碳行为。

4 ）不论是低温还是高温条件下， 19.5 ppm 的硫含量都不对电池体系造成明显的毒化（美国天然气标准中硫含量限值为 17 ppm ）。

5 ）对于直链碳氢燃料，碳越多，电池性能越好： CH ₄ < C ₃ H ₈ < C ₄ H ₁₀ 。

6 ）对于醇类燃料，则呈相反趋势： CH ₃ OH > C ₂ H ₅ OH

图 3. PCFC 工作过程中原位溶出的 Ni 纳米颗粒

为了理解电池抗积碳机理，研究人员采用了 SEM