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Tuning Electrochemical Performance by Microstructural Optimization of the Nanocrystalline Functional Oxygen Electrode Layer for Solid Oxide Cells

材料科学 介电谱 电极 电解质 化学工程 固体氧化物燃料电池 纳米晶材料 氧化物 阳极 阴极 极化(电化学) 电化学 分析化学(期刊) 纳米技术 冶金 工程类 物理化学 化学 色谱法
作者
Bartosz Kamecki,Grzegorz Cempura,Piotr Jasiński,Sea-Fue Wang,Sebastian Molin
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (51): 57449-57459 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsami.2c18951
摘要

Further development of solid oxide fuel cell (SOFC) oxygen electrodes can be achieved through improvements in oxygen electrode design by microstructure miniaturization alongside nanomaterial implementation. In this work, improved electrochemical performance of an La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-d (LSCF) cathode was achieved by the controlled modification of the La0.6Sr0.4CoO3-d (LSC) nanocrystalline interlayer introduced between a porous oxygen electrode and dense electrolyte. The evaluation was carried out for various LSC layer thicknesses, annealing temperatures, oxygen partial pressures, and temperatures as well as subjected to long-term stability tests and evaluated in typical operating conditions in an intermediate temperature SOFC. Electrochemical impedance spectroscopy and a distribution of relaxation times analysis were performed to reveal the rate-limiting electrochemical processes that limit the overall electrode performance. The main processes with an impact on the electrode performance were the adsorption of gaseous oxygen O2, dissociation of O2, and charge transfer-diffusion (O2-). The introduction of a nanoporous and nanocrystalline interlayer with extended electrochemically active surface area accelerates the oxygen surface exchange kinetics and oxygen ion diffusions, reducing polarization resistances. The polarization resistance of the reference LSCF was lowered by one order of magnitude from 0.77 to 0.076 Ω·cm2 at 600 °C by the deposition of a 400 nm LSC interlayer at the interface. The developed electrode tested in the anode-supported fuel cell configuration showed a higher cell performance by 20% compared to the cell with the reference electrode. The maximum power density at 700 °C reaches 675 and 820 mW·cm-2 for the reference cell and the cell with the LSC interlayer, respectively. Aging tests at 700 °C under a high load of 1 A·cm2 were performed.
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