La0.5Ba0.5CuxFe1−xO3−δ as cathode for high-performance proton-conducting solid oxide fuel cell

材料科学 燃料电池 氧化物 阴极 固体氧化物燃料电池 化学工程 质子 质子交换膜燃料电池 化学 工程类 冶金 电极 阳极 物理化学 物理 量子力学
作者
Shenglin Liu,Wu Menglin,Lanying Lu,Jiupai Ni,Chengsheng Ni,John T. S. Irvine
出处
期刊:Separation and Purification Technology [Elsevier BV]
卷期号:297: 121485-121485 被引量:6
标识
DOI:10.1016/j.seppur.2022.121485
摘要

• La 0.5 Ba 0.5 Cu x Fe 1−x O 3−δ is used as a cathode for H-SOFC on BZCY electrolyte. • Thermal expansion, oxide-ion and proton conductivity varies with the Cu/Fe ratio. • An initial power density exceeding 820 mW cm −2 is obtained at 700 °C. • Increase in the ohmic rather than polarization resistance dominates the degradation. La 0.5 Ba 0.5 Cu x Fe 1−x O 3−δ (0 ≤ x ≤ 1) perovskite was investigated as a cathode for a protonic solid oxide fuel cell (H-SOFC) using BaZr 0.1 Ce 0.7 Y 0.2 O δ (BZCY) electrolyte. A maximum electric conductivity (76.84 S cm −1 at 700 °C) was achieved in the air at the composition of La 0.5 Ba 0.5 Cu 0.4 Fe 0.6 O 3−δ . Comparing to La 0.5 Ba 0.5 CuO 3−δ (LBC), the increase in Fe content increased the D chem (1.07x10 −5 to 1.74x10 −5 cm 2 S −1 ) and K chem (1.12x10 −10 to 3.01x10 −10 cm 2 S −1 ) at La 0.5 Ba 0.5 Cu 0.2 Fe 0.8 O 3−δ (LBCF28) but decreased the proton conductivity from 7.5 to 4.3 mS cm −1 . Either Fe doping in LBC or Cu doping in La 0.5 Ba 0.5 FeO 3−δ increased the thermal expansion coefficient (TEC), but a low TEC among samples with mixed cations was achieved at La 0.5 Ba 0.5 Cu 0.5 Fe 0.5 O 3−δ (LBCF55) (16.12 ppm K −1 ). LBC suffered from superficial decomposition in the ambient air, causing an ohmic resistance loss of the full cell on Ni(O)-BZCY support. A high initial cell performance (820 mW cm −2 ) can be achieved for the cell with LBCF55 and LBCF28 cathode but the latter was unstable under a cathodic bias owing to the increase in ohmic resistance owing to the production of intermediate layer between electrode and electrolyte. With better stability than LBCF28 and higher performance than LBC, LBCF55 was regarded as a viable cathode material for H-SOFC. This work explores systematically the behavior of a perovskite with mixed Cu and Fe cations as a cathode for H-SOFCs.
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