高性能固體氧化物燃料電池正極材料Ca3Co2O6的評(píng)價(jià)

【引言】

傳統(tǒng)的固體-氧化鋅（YSZ）作為電解質(zhì)和氫燃料的氧化燃料電池（SOFC）具有優(yōu)異的性能，為高溫下提供清潔能源提供了希望；但電化學(xué)性能對(duì)溫度高度敏感。中溫（IT）技術(shù)為低成本、高效率和溫和的運(yùn)行條件帶來了極好的前景。對(duì)于IT-sofc的發(fā)展，陰極、陽極和電解液材料至關(guān)重要。

【成果介紹】

鈷基熱電化合物Ca₃Co₂O₆（CCO）是一種性能優(yōu)良的中溫固體氧化物燃料電池（SOFC）陰極材料。進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)價(jià)。采用膨脹計(jì)（Linseis L75H ,Germany）測量了TEC。通過對(duì)電解液的熱膨脹系數(shù)（TEC）、熱應(yīng)力（σ）和界面剪切應(yīng)力（τ）的測定，表明CCO與幾種常用的IT電解液匹配良好。在800℃時(shí)，功率密度為1.47W cm^-2，并檢測到11.7mV的附加熱電電壓。其優(yōu)異的電化學(xué)性能、熱電效應(yīng)以及與電解液相當(dāng)?shù)臒釞C(jī)械性能，使其成為一種很有前途的SOFC陰極材料。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1：（a） Ca₃Co₂O₆的高溫XRD圖譜在500至1100℃的空氣中測試，最后在25℃下測試。（b）溫度對(duì)晶格參數(shù)a（Å）、c（Å）和V（ų）的依賴性。

圖2：不同溫度下Ni1SDC | SDC | LSGM（100 mm）| CCO雙腔燃料電池單電池電壓和功率密度隨電流密度變化的電化學(xué)性能。

圖3：CCO和BSCF陰極的過電位η_c與800℃下空氣和純氧環(huán)境中電流密度的函數(shù)關(guān)系。

圖4：以CCO為陰極的不同電催化劑（300 mm LSGM，SDC 和BZCY）支撐的單電池的功率密度。以Ni1SDC | SDC | LSGM（300mm）| BSCF為對(duì)照。

圖5：熱應(yīng)力σ作為溫度對(duì)CCO和BSCF的函數(shù)。

圖6：測定了（a）BSCF陰極和（b）CCO陰極電池的室溫下界面剪切應(yīng)力t曲線。（c）BSCF陰極和（d）CCO陰極電池t測試后的光學(xué)照片。

圖7：（a）CCO晶體結(jié)構(gòu)由CoO_6/3共面共八面體和三角棱鏡多面體組成。（b）CCO子系統(tǒng)鏈中氧離子的傳導(dǎo)圖。（c）氧離子和電子從一個(gè)CoO_6/3結(jié)構(gòu)到另一個(gè)結(jié)構(gòu)的三個(gè)可能通道。

圖8：利用柱狀CCO熱電陰極將燃料電池廢熱轉(zhuǎn)化為電所產(chǎn)生的熱電電壓。

【結(jié)論】

綜上所述，我們開發(fā)了一種用于SOFC的新型Co基陰極材料，以獲得優(yōu)異的性能。對(duì)Ca₃Co₂O₆作為陰極材料進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)價(jià)。對(duì)一些重要的熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)TEC，σ和τ的測試表明，CCO可以與幾種常用的IT電解液（LSGM，SDC，BZCY）相匹配，在長時(shí)間的電池運(yùn)行過程中無損傷、無化學(xué)反應(yīng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。在800℃下獲得了高達(dá)1.47W cm^-2的功率密度和11.7mv的熱電電壓，證明了CCO是一種優(yōu)良的IT-SOFC陰極材料。CCO優(yōu)異的電化學(xué)性能可歸因于其獨(dú)特的共面共享鏈結(jié)構(gòu)、匹配的熱機(jī)械性能和熱-電效應(yīng)的混合氧化物-離子/電子導(dǎo)電性能。需要指出的是，CCO熱電效應(yīng)產(chǎn)生的功率輸出，為利用SOFC中的余熱提高電化學(xué)性能開辟了可能。