Redesigning protonic ceramic electrochemical cells to lower the operating temperature

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作者
Fan Liu,David R. Diercks,Praveen Kumar,Arim Seong,Mohammed Hussain Abdul Jabbar,Cenk Gümeci,Yoshihisa Furuya,Nilesh Dale,Takanori Oku,Masahiro Usuda,Pejman Kazempoor,Iman Ghamarian,Lin Liu,Liyang Fang,Di Chen,Zixian Wang,Stephen J. Skinner,Chuancheng Duan
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:11 (2)
标识
DOI:10.1126/sciadv.adq2507
摘要

Protonic ceramic electrochemical cells (PCECs) can operate at intermediate temperatures (450° to 600°C) for power generation and hydrogen production. However, the operating temperature is still too high to revolutionize ceramic electrochemical cell technology. Lowering the operating temperature to <450°C will enable a wider material choice and reduce system costs. We present approaches to redesigning PCECs via readily fabricated single-grain–thick, chemically homogeneous, and robust electrolytes and a nano-micro positive electrode. At 450°C, the PCECs achieve a peak power density of 1.6 watt per square centimeter on H 2 fuel, 0.5 watt per square centimeter on NH 3 fuel, and 0.3 watt per square centimeter on CH 4 fuel in fuel cell mode. In steam electrolysis mode, a current density of >0.6 ampere per square centimeter with a Faradaic efficiency of >90% is achievable at 1.4 volt and 400°C. In addition, exceptional durability (>2000 hours) has been demonstrated, with a degradation rate of <0.01 millivolt per 100 hours in fuel cell mode at 400°C.
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