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Advanced Fuel Cell Based on New Nanocrystalline Structure Gd0.1Ce0.9O2 Electrolyte

材料科学 电解质 纳米晶材料 离子电导率 热传导 晶界 扩散 电导率 氧化物 化学工程 离子键合 无定形固体 离子 纳米技术 微观结构 复合材料 物理化学 结晶学 冶金 热力学 电极 化学 物理 工程类 有机化学
作者
Gang Chen,Wenkang Sun,Yadan Luo,Yang He,Xuebai Zhang,Bin Zhu,Wenyuan Li,Xingbo Liu,Yushi Ding,Ying Li,Shujiang Geng,Kai Yu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (11): 10642-10650 被引量:85
标识
DOI:10.1021/acsami.8b20454
摘要

Lowering the operating temperature is a universal R&D challenge for the development of low-temperature (<600 °C) solid oxide fuel cells (SOFCs) that meet the demands of commercialization. Regarding the traditional electrolyte materials of SOFCs, bulk diffusion is the main ionic conduction mechanism, which is primarily affected by the bulk density and operating temperatures. In this study, we report a new mechanism for the Ce0.9Gd0.1O2-δ (GDC) electrolyte based on a nanocrystalline structure with surface or grain boundary conduction, exhibiting an extremely high ionic conductivity of 0.37 S·cm–1 at 550 °C. The fuel cell with the nanocrystalline structure GDC electrolyte (0.5 mm in thickness) can deliver a remarkable peak power density of 591.8 mW·cm–2 at 550 °C, which is approximately 3.5 times higher than that for the cell with the GDC electrolyte densified at 1550 °C. An amorphous layer enriched by oxygen vacancies was found at the surface of the nano-GDC particles in the fuel cell test atmosphere, which was attributed to the ion conduction channel of the grain boundary diffusion. The ionic conduction at the interfaces between the particles was discovered to be the dominant conduction mechanism of the nanocrystalline structure GDC electrolyte. Oxygen ions and protons were determined to be the charge carriers in this interfacial conduction phenomenon, and the conduction of oxygen ions was dominant.
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