在爱达荷州爱达荷福尔斯市的爱达荷国家实验室(INL)，唐伟、边文娟等研究人员正致力于制造一种名为质子陶瓷燃料电池/质子陶瓷电解池(PCFC/PCEC)的电化学能量转换装置，该装置有望在美国未来能源中发挥重要作用。

PCFC/PCEC本质上是相同装置，运行方向相反。燃料电池模式下，消耗氢气产生电能;电解池模式下，将水和电转化为氢气和氧气。这两种模式为公用事业提供了极大灵活性，可根据电力供需情况转换运行，且该装置在空气侧生成或供给水，避免了昂贵的燃料循环或氢气净化步骤。

研究人员设计出制造此类装置的方法，并克服了关键挑战。美国能源部氢能和燃料电池技术办公室通过质子陶瓷电化学电池计划资助了该项目。为将廉价热量和电能转化为高价值氢气，研究人员需使电池高效、耐用且具成本效益。过去版本的电池在氢气生产模式下不稳定，研究人员通过改进多层陶瓷夹层解决了这一问题。

制造PCEC装置的基本材料是钙钛矿陶瓷，其晶体结构对成分变化耐受性高。研究人员曾尝试用两层陶瓷层构建PCEC，但制氢效率或长期耐用性受影响。最先进的陶瓷质子传导电解质中，BaZr0.8Y0.2O3−δ(BZY)在水电解高蒸汽条件下更稳定，但难以烧结成致密形状。

为此，研究人员提出新颖结构工程设计，重新设计了半电池多层结构：将高烧结性电解质BaCe0.7Zr0.1Y0.2O3−δ(BCZY)与氧化镍(BCZY+NiO)混合作为支撑层，并使用缓冲层(BZY+NiO)减少烧结失配。这些修改创建了四层装置，提高了电池在高温下的结构稳定性和氢气产出率。

边教授表示，新电池导电性更高、使用寿命更长，性能更佳。唐伟称，新电池法拉第效率高，能源浪费少，制氢速率和能源效率更高。制造这些电池的过程类似厨房烘焙，先将原料混合煅烧，再与氧化镍等混合浇铸成薄膜，最后将不同陶瓷薄膜叠放加热烧结。

该团队已将电池尺寸扩大至25平方厘米，这是弥合小型纽扣电池与全尺寸工业设备电池堆叠差距的关键一步。目前，研究人员正致力于提升技术成熟度。

INL项目经理丁先生表示，PCEC将在中温条件下带来颠覆性变化，经济高效的材料和缓解的快速降解现象对降低成本和实现商业化至关重要。除了生产氢气，PCEC还可作为平台，通过改变原料和定制催化剂实现各种化学品和燃料生产应用。研究人员正与不同规模工业合作伙伴密切合作。