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高性能固体氧化物燃料电池正极材料Ca3Co2O6的评价

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概述
实验/设备条件
样品提取
实验/操作方法
实验结果/结论
仪器/耗材清单

【引言】

传统的固体-氧化锌(YSZ)作为电解质和氢燃料的氧化燃料电池(SOFC)具有优异的性能,为高温下提供清洁能源提供了希望;但电化学性能对温度高度敏感。中温(IT)技术为低成本、高效率和温和的运行条件带来了极好的前景。对于IT-sofc的发展,阴极、阳极和电解液材料至关重要。


【成果介绍】

钴基热电化合物Ca3Co2O6(CCO)是一种性能优良的中温固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极材料。进行了系统评价。采用热膨胀仪(Linseis L75H ,Germany)测量了TEC。通过对电解液的热膨胀系数(TEC)、热应力(σ)和界面剪切应力(τ)的测定,表明CCO与几种常用的IT电解液匹配良好。在800℃时,最大功率密度为1.47W cm-2,并检测到11.7mV的附加热电电压。其优异的电化学性能、热电效应以及与电解液相当的热机械性能,使其成为一种很有前途的SOFC阴极材料。

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【图文导读】

图1:(a) Ca3Co2O6的高温XRD图谱在500至1100℃的空气中测试,最后在25℃下测试。(b)温度对晶格参数a(Å)、c(Å)和V(Å3)的依赖性。

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图2:不同温度下Ni1SDC | SDC | LSGM(100 mm)| CCO双腔燃料电池单电池电压和功率密度随电流密度变化的电化学性能。

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图3:CCO和BSCF阴极的过电位ηc与800℃下空气和纯氧环境中电流密度的函数关系。

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图4:以CCO为阴极的不同电催化剂(300 mm LSGM,SDC 和BZCY)支撑的单电池的功率密度。以Ni1SDC | SDC | LSGM(300mm)| BSCF为对照。

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图5:热应力σ作为温度对CCO和BSCF的函数。

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图6:测定了(a)BSCF阴极和(b)CCO阴极电池的室温下界面剪切应力t曲线。(c)BSCF阴极和(d)CCO阴极电池t测试后的光学照片。

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图7:(a)CCO晶体结构由CoO6/3共面共八面体和三角棱镜多面体组成。(b)CCO子系统链中氧离子的传导图。(c)氧离子和电子从一个CoO6/3结构到另一个结构的三个可能通道。

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图8:利用柱状CCO热电阴极将燃料电池废热转化为电所产生的热电电压。

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【结论】

综上所述,我们开发了一种用于SOFC的新型Co基阴极材料,以获得优异的性能。对Ca3Co2O6作为阴极材料进行了系统评价。对一些重要的热学和力学参数TEC,σ和τ的测试表明,CCO可以与几种常用的IT电解液(LSGM,SDC,BZCY)相匹配,在长时间的电池运行过程中无损伤、无化学反应,具有广阔的应用前景。在800℃下获得了高达1.47W cm-2的最大功率密度和11.7mv的热电电压,证明了CCO是一种优良的IT-SOFC阴极材料。CCO优异的电化学性能可归因于其独特的共面共享链结构、匹配的热机械性能和热-电效应的混合氧化物-离子/电子导电性能。需要指出的是,CCO热电效应产生的功率输出,为利用SOFC中的余热提高电化学性能开辟了可能。

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