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High-Performance Protonic Ceramic Fuel Cell with Ytterbium-Doped Barium Zirconate: Reducing Cathode Polarization by Improving Electrolyte Surface Condition

材料科学 电解质 阴极 极化(电化学) 陶瓷 化学工程 兴奋剂 功率密度 分析化学(期刊) 复合材料 电极 光电子学 冶金 热力学 物理化学 色谱法 化学 物理 工程类 功率(物理)
作者
Hiroyuki Shimada,Konosuke Watanabe,M. Fujioka,Katsuhiro Nomura,Aman Sharma,Yuki Yamaguchi,Hirofumi Sumi,Yasunobu Mizutani
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (28): 40639-40649 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsami.5c04806
摘要

Protonic ceramic fuel cells (PCFCs) have great potential to realize ultrahigh energy-conversion efficiency, but higher power density is required for future commercialization. The present work reports the effect of the electrolyte surface condition related to chemical composition such as stoichiometry and element distribution on cathode performance as a key for high-performance PCFCs. In our PCFCs, Ce-free Yb-doped BaZrO3 (BZYb20) electrolytes are prepared using two BZYb20 raw powder materials with different A/B ratios, i.e., Ba0.97Zr0.8Yb0.2O3-δ (Cell-97) and Ba0.99Zr0.8Yb0.2O3-δ (Cell-99). These PCFCs exhibit different element distributions on their BZYb20 electrolyte surfaces, namely, a heterogeneous element distribution with segregation of Yb2O3 for Cell-97 and a homogeneous distribution for Cell-99. The maximum power density of Cell-99 is higher than that of Cell-97 and reaches exceptionally high values, e.g., ∼1.3 W cm-2 at 600 °C and ∼0.7 W cm-2 at 500 °C, which are the highest attained for PCFCs with Ce-free BaZrO3-based electrolytes. The distribution of relaxation times and fitting analysis reveals that the cathode polarization resistance of Cell-99 is much lower than that of Cell-97 even when using the same cathode material. In conclusion, an optimal electrolyte surface condition significantly reduces cathode polarization resistance, leading to the achievement of high-performance PCFCs.
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