本周期刊“科学”杂志所描述的一种新型陶瓷材料有助于扩大固体氧化物燃料电池的应用范围 - 这些设备可直接从各种液体或气体燃料发电，而无需分离氢气。

尽管新型混合离子导体材料的长期耐久性仍必须得到证实，但其开发可以解决固体氧化物燃料电池面临的两个最棘手的问题：燃料中硫的耐受性和耐焦化性(称为焦化) 。新材料还可以使固体氧化物燃料电池比其他燃料电池更有效地将燃料转化为电能，从而在较低温度下运行，可能降低材料和制造成本。

“这种材料的开发表明我们可以使用更便宜的固体氧化物燃料电池，并且它可以更紧凑，这将增加潜在应用的范围，”Regent的材料学院教授Meilin Liu说。佐治亚理工学院的科学与工程。“这种新材料可能会让燃料电池运行肮脏的碳氢化合物燃料而无需清洁和供水。”

与所有燃料电池一样，固体氧化物燃料电池(SOFC)使用电化学过程通过氧化燃料来产生电力。顾名思义，SOFC使用陶瓷电解质，一种称为氧化钇稳定氧化锆(YSZ)的材料。

燃料电池的阳极使用由YSZ和金属镍组成的复合材料。该阳极为燃料氧化提供了极好的催化活性，对产生的电流具有良好的导电性，并且与电池的电解质兼容 - 这也是YSZ。

但这种材料有三个显着的缺点：即使燃料中含有少量硫，也会使阳极“中毒”以大幅降低效率，使用碳氢化合物燃料会产生碳积聚，从而堵塞阳极 - 而且由于YSZ在低温下导电性有限 - SOFC必须在高温下运行。

因此，必须净化SOFC中使用的燃料，例如天然气或丙烷，以除去硫，这增加了它们的成本。蒸汽形式的水也必须供应给重整器，该重整器在被供给燃料电池之前将碳氢化合物转化为氢气和一氧化碳，增加了整个系统的复杂性并降低了能量效率。并且高温操作意味着电池必须由昂贵的特殊材料制成，这使得SOFC对于许多应用来说太昂贵。

佐治亚理工学院开发的新材料解决了所有这三个阳极问题。该物质被称为BZCYYb作为其复杂成分的简写，该物质耐受浓度高达百万分之50的硫化氢，不会积累碳 - 并且可以在低至500摄氏度的温度下有效运行。

BZCYYb(钡 - 锆 - 铈 - 钇 - 氧化镱)材料可以多种方式使用：作为传统Ni-YSZ阳极上的涂层，作为阳极中YSZ的替代品，并替代整个YSZ电解液系统。刘认为前两个选项更可行。

到目前为止，新材料在小型实验室规模的SOFC中提供了长达1,000小时的稳定性能。然而，为了在商业上可行，该材料必须在运行中证明长达五年 - 商业SOFC的预期寿命。

“我们认为制造或其他可能阻止扩大规模的问题不会出现任何问题，”刘说。“这种材料是使用标准的固态反应生成的，非常简单。”

研究人员还不了解他们的新材料如何抵抗硫和碳的失活，但理论上它可以提供增强的催化活性，用于氧化硫以及裂解和重整碳氢化合物。

除了耐硫和耐焦化外，BZCYYb材料在较低温度下的导电性也可为SOFC提供显着优势。

“如果我们能将工作温度降低到500或600摄氏度，那么我们就可以使用较便宜的金属作为互连，”刘说。“将温度降低到300到400度可以允许在包装中使用更便宜的材料，这将大大降低这些系统的成本。”

除了在燃料电池中使用之外，刘和他的团队开发的材料 - 包括雷阳，王世忠，Kevin Blinn，刘明飞，刘泽和哲成 - 也可用于燃料重整以供给其他类型的燃料细胞。

尽管固体氧化物燃料电池的技术目前还不如其他类型的燃料电池成熟，但刘认为SOFC最终会赢得，因为它们不需要铂等贵金属，它们的效率可以更高 - 高达80共同使用废热的百分比。

“固体氧化物燃料电池提供高能效，可直接利用包括可再生生物燃料在内的所有类型的燃料，并且由于不使用任何贵金属，因此可以降低成本，”刘说。“我们正在努力降低固体氧化物燃料电池的成本，使其在许多新应用中具有可行性，而这种新材料使我们更接近这样做。”