Nanocomposite electrodes for high current density over 3 A cm−2 in solid oxide electrolysis cells

电解 材料科学 高温电解 电极 纳米复合材料 氧化物 电流密度 制氢 化学工程 纳米技术 电解质 冶金 化学 物理 有机化学 物理化学 量子力学 工程类
作者
Hiroyuki Shimada,Toshiaki Yamaguchi,Haruo Kishimoto,Hirofumi Sumi,Yuki Yamaguchi,Katsuhiro Nomura,Yoshinobu Fujishiro
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:10 (1) 被引量:95
标识
DOI:10.1038/s41467-019-13426-5
摘要

Abstract Solid oxide electrolysis cells can theoretically achieve high energy-conversion efficiency, but current density must be further increased to improve the hydrogen production rate, which is essential to realize widespread application. Here, we report a structure technology for solid oxide electrolysis cells to achieve a current density higher than 3 A cm −2 , which exceeds that of state-of-the-art electrolyzers. Bimodal-structured nanocomposite oxygen electrodes are developed where nanometer-scale Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3−δ and Ce 0.8 Sm 0.2 O 1.9 are highly dispersed and where submicrometer-scale particles form conductive networks with broad pore channels. Such structure is realized by fabricating the electrode structure from the raw powder material stage using spray pyrolysis. The solid oxide electrolysis cells with the nanocomposite electrodes exhibit high current density in steam electrolysis operation (e.g., at 1.3 V), reaching 3.13 A cm −2 at 750 °C and 4.08 A cm −2 at 800 °C, corresponding to a hydrogen production rate of 1.31 and 1.71 L h −1 cm −2 respectively.

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