Exceptional power density and stability at intermediate temperatures in protonic ceramic fuel cells

电解质 陶瓷 阴极 材料科学 功率密度 氧化物 电导率 化学工程 复合材料 热力学 功率(物理) 电极 冶金 电气工程 化学 物理 工程类 物理化学
作者
Sihyuk Choi,Chris J. Kucharczyk,Yangang Liang,Xiaohang Zhang,Ichiro Takeuchi,Ho‐Il Ji,Sossina M. Haile
出处
期刊:Nature Energy [Springer Nature]
卷期号:3 (3): 202-210 被引量:845
标识
DOI:10.1038/s41560-017-0085-9
摘要

Over the past several years, important strides have been made in demonstrating protonic ceramic fuel cells (PCFCs). Such fuel cells offer the potential of environmentally sustainable and cost-effective electric power generation. However, their power outputs have lagged behind predictions based on their high electrolyte conductivities. Here we overcome PCFC performance and stability challenges by employing a high-activity cathode, PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ (PBSCF), in combination with a chemically stable electrolyte, BaZr0.4Ce0.4Y0.1Yb0.1O3 (BZCYYb4411). We deposit a thin dense interlayer film of the cathode material onto the electrolyte surface to mitigate contact resistance, an approach which is made possible by the proton permeability of PBSCF. The peak power densities of the resulting fuel cells exceed 500 mW cm−2 at 500 °C, while also offering exceptional, long-term stability under CO2. Protonic ceramic fuel cells use oxide electrolytes with high protonic conductivity but suffer from low power densities due to sluggish oxygen reduction kinetics and high contact resistances. Here the authors integrate a PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ cathode and a BaZr0.4Ce0.4Y0.1Yb0.1O3 electrolyte, achieving exceptional power density and stability.
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