高性能质子陶燃料电池与以铁添加的酸:通过改善电解质表面状况来减少阴极极化
Hiroyuki Shimada1, Konosuke Watanabe1, Masaya Fujioka1
1Innovative Functional Materials Research Institute, Department of Materials and Chemistry, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), 4-205 Sakurazaka, Moriyama-ku, Nagoya, Aichi 463-8560, Japan.
ACS applied materials & interfaces
|July 2, 2025
概括
在质子陶燃料电池 (PCFC) 中优化电解质表面条件显著提高了阴极性能. 这导致更高的功率密度和效率,这对于商业化先进的燃料电池技术至关重要.
科学领域:
- 材料科学 材料科学 材料科学
- 电化学 电化学 电化学
- 能源转换 能源转换
背景情况:
- 质子陶燃料电池 (PCFC) 提供高的能量转换效率,但需要提高功率密度以实现商业可行性.
- 阴极性能是限制PCFC功率密度的关键因素.
- 电解质表面状况,包括静电测量和元素分布,可以影响阴极的行为.
研究的目的:
- 为了研究电解质表面条件对无C-free Yb-doped BaZrO3 (BZYb20) 质子陶燃料电池的阴极性能的影响.
- 为了将电解质固态度和元素分布与阴极极化阻力和整体功率密度相关联.
- 确定最佳的电解质表面特性,以实现高性能PCFC.
主要方法:
- 使用不同A/B比率 (Ba0.97Zr0.8Yb0.2O3-δ和Ba0.99Zr0.8Yb0.2O3-δ) 的原始粉末制备BZYb20电解质.
- 使用EDX/XPS等技术,对电解质表面的元素分布进行表征.
- 电化学阻抗光谱 (EIS) 和放松时间分布 (DRT) 分析以评估阴极极化阻力.
- 在各种温度下 (500-600°C) 测试PCFC的性能,以确定功率密度.
主要成果:
- 与异质表面 (Cell-97) 相比,具有同质BZYb20电解质表面 (Cell-99) 的PCFC显示出显著更高的最大功率密度 (≤1.3W cm−2在600°C,≤0.7W cm−2在500°C).
- 同质表面 (Cell-99) 的阴极极化阻力明显低于异质表面 (Cell-97),尽管使用了相同的阴极材料.
- 这些结果代表了使用Ce-free BaZrO3 基电解质的 PCFC 报告的最高功率密度.
结论:
- 一个优化的电解质表面状况,以均的元素分布为特征,对于最小化PCFCs中的阴极极化阻力至关重要.
- 在PCFC中实现高功率密度与控制电解质的表面化学和元素分布直接相关.
- 这项研究为通过量身定制的电解质表面工程开发下一代高性能质子陶燃料电池提供了一条途径.
