质子陶瓷燃料电池（PCFC）不仅具有可与固态氧化物燃料电池媲美的高效发电效率，并且能够在较低的温度（350-600℃）高效运行，还拥有更优异的抗积碳和抗硫中毒特性，是极具发展前景的新一代燃料电池技术。科罗拉多州矿业大学Ryan O’Hayre教授研究团队联合阿联酋石油研究所设计合成了适合低温运行的新型阴极材料和电解质，在此基础上开发了全新的抗积碳、耐硫性、多种燃料通用的超长寿命质子陶瓷燃料电池，为燃料电池的发展提供了新的技术方向。
研究人员以碳酸钡、氧化铈、氧化锆、氧化钇、氧化镍和氧化铜为原料制备了阴极材料（BCY）、阳极材料（BZY）和电解质，并由此组装了燃料电池，系统研究了在500℃条件下这种PCFC对氢气、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种未经过预处理燃料的适用性。实验结果显示，11种燃料均可在测试条件下稳定运行6000多个小时，大多数燃料每1000小时的性能衰减率不到1.5%，且没有出现积碳迹象和温度大幅波动，而使用部分燃料的PCFC可以在测试条件下稳定工作超过6000小时，展现出了极其优异的长寿命高稳定运行特性。其中以氢气为燃料的电池器件峰值功率最高，可达455 mW/cm2。此外，器件还具备了优异的耐硫性，即使在高达19.5 ppm（美国天然气标准中硫含量上限为17 ppm）浓度的硫含量环境也没有造成电池性能衰退。
为了探究该电池优异的抗积碳、耐硫性、长寿命特性的潜在机理，研究人员对电池电化学反应过程进行了扫描电镜、原位拉曼光谱等一系列微观结构表征。结果表明，电池运行过程中在阴极表面析出的一层均匀的镍纳米颗粒涂层，可以有效抑制焦炭产生，同时还可以抑制硫的吸附以避免硫中毒，成为了电池长寿命的关键因素。另外，该新型陶瓷电池在350℃低温环境下也可以实现稳定运行，表现出良好的低温运行特性。
该项研究设计制备了新型的质子陶瓷燃料电池，呈现出优异的抗积碳、耐硫性、长寿命等特点，更为关键的是该电池具备极高的燃料普适性，提供了燃料电池发展的新方向。相关研究成果发表在《Science》 。
