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Synergistic Optimization of Power Output and Thermomechanical Stability Enabled by Rational Cathode Design in Protonic Ceramic Fuel Cells

材料科学 阴极 陶瓷 电解质 电化学 电极 复合材料 热稳定性 功率密度 热膨胀 热的 功率(物理) 燃料电池 复合数 化学工程 纳米颗粒 合理设计 光电子学 实现(概率) 材料设计 纳米技术
作者
Jiwon Yun,Junseok Kim,Geomji Choi,Hyeongsik Shin,Seungchan Kim,Boseok Seong,Jinwoo Lee,Seongmin Chang,Ho‐Il Ji,Sihyuk Choi
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:36 (24) 被引量:1
标识
DOI:10.1002/adfm.202525258
摘要

Abstract Most protonic ceramic fuel cell (PCFC) cathodes rely on Co‐rich materials to achieve high electrochemical performance; however, their thermomechanical incompatibility with proton‐conducting electrolytes is the primary obstacle for the practical realization of PCFC systems. Despite significant progress over the past few years, simultaneously achieving thermomechanical stability and excellent electrochemical performance remains an unresolved challenge. Herein, a rationally designed composite cathode is presented that synergistically combines a robust Sr‐doped LaMnO 3 (LSM) backbone with infiltrated electrocatalytically active PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5+δ (PBSCF) nanoparticles (NPs). The optimized cathode delivers an outstanding peak power density of 0.80 W cm −2 at 500 °C, while also maintaining stable performance over 100 cycles between 550 and 400 °C in power generation mode at 0.5 V. This high electrochemical performance is attributed to the newly established routes for H + /O 2− transport through well‐interconnected PBSCF NPs. To elucidate the high level of thermomechanical stability, a computational thermal stress analysis is conducted, validating that the LSM backbone effectively offsets thermal expansion mismatch between the electrode and electrolyte. Additionally, this study provides practical design guidelines for optimizing material combinations and microstructural engineering to ensure reliable operation in PCFC systems.
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