高性能固體氧化物燃料電池正極材料Ca3Co2O6的評價

【引言】

傳統的固體-氧化鋅（YSZ）作為電解質和氫燃料的氧化燃料電池（SOFC）具有優異的性能，為高溫下提供清潔能源提供了希望；但電化學性能對溫度高度敏感。中溫（IT）技術為低成本、高效率和溫和的運行條件帶來了*的前景。對于IT-sofc的發展，陰極、陽極和電解液材料至關重要。

【成果介紹】

鈷基熱電化合物Ca₃Co₂O₆（CCO）是一種性能優良的中溫固體氧化物燃料電池（SOFC）陰極材料。進行了系統評價。采用膨脹計（Linseis L75H ,Germany）測量了TEC。通過對電解液的熱膨脹系數（TEC）、熱應力（σ）和界面剪切應力（τ）的測定，表明CCO與幾種常用的IT電解液匹配良好。在800℃時，功率密度為1.47W cm^-2，并檢測到11.7mV的附加熱電電壓。其優異的電化學性能、熱電效應以及與電解液相當的熱機械性能，使其成為一種很有前途的SOFC陰極材料。

【圖文導讀】

圖1：（a） Ca₃Co₂O₆的高溫XRD圖譜在500至1100℃的空氣中測試，后在25℃下測試。（b）溫度對晶格參數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性能。

圖3：CCO和BSCF陰極的過電位η_c與800℃下空氣和純氧環境中電流密度的函數關系。

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為對照。

圖5：熱應力σ作為溫度對CCO和BSCF的函數。

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力t曲線。（c）BSCF陰極和（d）CCO陰極電池t測試后的光學照片。

圖7：（a）CCO晶體結構由CoO_6/3共面共八面體和三角棱鏡多面體組成。（b）CCO子系統鏈中氧離子的傳導圖。（c）氧離子和電子從一個CoO_6/3結構到另一個結構的三個可能通道。

圖8：利用柱狀CCO熱電陰極將燃料電池廢熱轉化為電所產生的熱電電壓。

【結論】

綜上所述，我們開發了一種用于SOFC的新型Co基陰極材料，以獲得優異的性能。對Ca₃Co₂O₆作為陰極材料進行了系統評價。對一些重要的熱學和力學參數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，在長時間的電池運行過程中無損傷、無化學反應，具有廣闊的應用前景。在800℃下獲得了高達1.47W cm^-2的功率密度和11.7mv的熱電電壓，證明了CCO是一種優良的IT-SOFC陰極材料。CCO優異的電化學性能可歸因于其*的共面共享鏈結構、匹配的熱機械性能和熱-電效應的混合氧化物-離子/電子導電性能。需要指出的是，CCO熱電效應產生的功率輸出，為利用SOFC中的余熱提高電化學性能開辟了可能。