固体酸燃料电池

固体酸燃料电池(SAFC)是一类燃料电池，其特点是使用固体酸材料作为电解质。与质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池类似，它们从含氢和含氧气体的电化学转化中提取电力，只留下水作为副产品。当前的SAFC系统使用从一系列不同燃料（例如工业级丙烷和柴油）中获得的氢气。它们在200至300°C的中等温度范围内运行。

固体酸燃料电池的设计

固体酸是盐和酸之间的化学中间体，例如CsHSO4。燃料电池应用中感兴趣的固体酸是那些化学基于氧阴离子基团（SO42-、PO43-、SeO42-、AsO43-）的酸，这些酸通过氢键连接在一起并通过大阳离子物质（Cs+、Rb+、NH4+、K+)。在低温下，固体酸与大多数盐一样具有有序的分子结构。在较高的温度下（CsHSO4为140至150摄氏度），一些固体酸会发生相变，变成高度无序的超质子结构，从而将电导率提高几个数量级。当用于燃料电池时，这种高电导率可以使各种燃料的效率高达50%。xxx个概念验证型SAFC是在2000年使用硫酸氢铯(CsHSO4)开发的。然而，使用酸性硫酸盐作为电解质的燃料电池会产生严重降解燃料电池阳极的副产品，这会导致仅适度使用后功率输出就会降低。当前的SAFC系统使用磷酸二氢铯(CsH2PO4)，并已证明其使用寿命可达数千小时。当经历超质子相变时，CsH2PO4的电导率增加了四个数量级。2005年的研究表明，CsH2PO4可以在250°C的中间温度的潮湿大气中稳定地经历超质子相变，使其成为燃料电池中理想的固体酸电解质。燃料电池中的潮湿环境对于防止某些固体酸（例如CsH2PO4）脱水和分解成盐和水蒸气是必要的。

电极反应

氢气被引导到阳极，在那里它被分裂成质子和电子。质子穿过固体酸电解质到达阴极，而电子则通过外部电路到达阴极，从而发电。在阴极，质子和电子与氧气重新结合产生水，然后从系统中去除。阳极：H2→2H++2e−阴极：½O2+2H++2e−→H2O总体：H2+½O2→H2OSAFC在中等温度下的运行允许它们利用在高温下会损坏的材料，例如标准金属部件和柔性聚合物。这些温度还使SAFC能够耐受其燃料氢源中的杂质，例如一氧化碳或硫成分。例如，SAFC可以利用从丙烷、天然气、柴油和其他碳氢化合物中提取的氢气。

制造和生产

SossinaHaile在1990年代开发了xxx批固体酸燃料电池。2005年，SAFC采用厚度为25微米的薄电解质膜制造，与早期型号相比，峰值功率密度增加了八倍。薄电解质膜是必要的，以尽量减少由于膜内的内阻导致的电压损失。根据Suryaprakash等人的说法。2014年，理想的固体酸燃料电池阳极是多孔电解质纳米结构，均匀覆盖有铂薄膜。该小组使用一种称为喷雾干燥的方法制造SAFC，沉积CsH2PO4固体酸电解质纳米颗粒，并创建固体酸燃料电池电解质材料CsH2PO4的多孔3维互连纳米结构。

机械稳定性

与高温质子陶瓷燃料电池或固体氧化物燃料电池等高工作温度对应物相比，固体酸性燃料电池受益于在低温下工作，在该温度下塑性变形和蠕变机制不太可能对电池材料造成xxx性损坏。在高温下更容易发生xxx变形，因为材料中存在的缺陷具有足够的能量来移动和破坏原始结构。

低温操作还允许使用非耐火材料，这往往会降低SAFC的成本。然而，固体酸燃料电池电解质材料在高于其超质子相变温度的正常操作条件下仍然容易受到机械降解的影响，这是由于这种转变带来的超塑性。通常与位错滑移机制有关，活化能为1.02eV。n是应力指数，Q是蠕变活化能，A是取决于蠕变机制的常数。抗蠕变性可以通过使用复合电解质的沉淀强化来获得，其中引入陶瓷颗粒以防止位错运动。例如，通过混入尺寸为2微米的SiO2颗粒，CsH2PO4的应变率降低了5倍，但导致质子电导率降低了20%。其他研究着眼于CsH2PO4/环氧树脂复合材料，其中微米级CsH2PO4颗粒嵌入交联聚合物基质中。SiO2复合材料与环氧树脂复合材料的抗弯强度比较表明，虽然强度本身相似，但环氧树脂复合材料的柔韧性更好，这是防止操作期间电解质破裂的关键特性。当在低于200°C的温度下工作时，环氧树脂复合材料也显示出与SiO2复合材料相当但略低的电导率。