陶瓷燃料电池具有环境可持续性和高效率（通常>60％）发电的潜力，不受卡诺循环的限制。此外，与其他类型的燃料电池相比，它们具有燃料多功能性的关键优势，并且由于其工作温度(700-1000℃)较高，因此可以通过内部重整利用碳氢化合物进行燃料补充。在各种类型的碳氢化合物中，主要由甲烷组成的天然气目前满足约27%的全球能源需求，比煤炭更受青睐。尽管甲烷在全球能源蓝图中非常重要，但由于甲烷浓度相对较低、热值相对较低，许多甲烷资源尚未被开发，因此被称为低热值气体(LCVGs)。随着现有化石燃料的枯竭和缓解气候变化的紧迫性，迫切需要一种能够清洁有效地使用这些低效LCVG的技术。陶瓷燃料电池提供了一种可能的解决方案，但其性能受到积碳（“结焦”）的阻碍。
有鉴于此，帝国理工学院的Kang Li等人，报告了一种新型燃料电池，其设计可减轻积碳，产生优异的性能，而且仅使用传统的商用材料。
开发了一种新的策略来实现LCVG甲烷的高利用效率，同时提高了抗积碳性和长期稳定性。
本文要点
1）陶瓷燃料电池由商用材料制成，具有水滴状通道的“微型单片”几何形状。它们具有独特的几何“不对称性”特征，从而比常规设计展现出新的气体传输配置，将和阴极集流体从电化学活性区分离出来，从而大大缩短了气体燃料到达的扩散长度EAR，显著促进了质量传输，可以加强对有利于碳沉积的位置的控制。这种设计有助于在甲烷浓度低至10%的情况下实现较高的电化学性能，最大限度地降低浓度极化，并创建特定区域的气氛，抑制EAR中的积碳。
2）X射线计算机断层扫描被用于重建三维结构，其结果被用于CFD建模以确认整个电池内的气氛变化。研究发现，只有在燃料进口(上游)区域的惰性集电器/机械支架上才会发生结焦，对结构完整性和电化学性能的影响可以忽略不计。焦化仅发生在燃料入口（上游）区域的惰性集电器/机械支撑件上，这对结构完整性和电化学性能的影响可忽略不计。
3）使用LCVGs产生的功率密度为1.77-2.22 W cm-2。即使按照热力学预测的1:1 CH4-CO2进料比，燃料电池在低于800°C的温度下仍倾向于积碳，但在>500小时内，燃料电池的性能下降几乎可以忽略不计。
参考文献：
Tao Li et al. High-performance fuel cell designed for coking-resistance and efficient conversion of waste methane to electrical energy. Energy Environ. Sci., 2020.
DOI: 10.1039/D0EE00070A
https://doi.org/10.1039/D0EE00070A
