高性能固体氧化物燃料电池正极材料Ca3Co2O6的评价

【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。采用膨胀计（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。

【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（ų）的依赖性。

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。

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

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。

图5：热应力σ作为温度对CCO和BSCF的函数。

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。

图7：（a）CCO晶体结构由CoO_6/3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CoO_6/3结构到另一个结构的三个可能通道。

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。

【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。