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Harnessing a Thermo-Compensating Effect to Stabilize Heterojunctions: An Effective Strategy for Durable Reversible Protonic Ceramic Fuel Cells

材料科学 热膨胀 电解质 电极 陶瓷 复合材料 电解 化学工程 功率密度 复合数 热的 电化学 相(物质) 电流密度 钙钛矿(结构) 温度循环 压力(语言学) 负热膨胀 储能 分层(地质) 热能 降级(电信) 电化学能量转换 能量转换 异质结 润湿 相变 热处理
作者
Kai Yang,Caiyue Xie,Xiaoyu Wang,Tao Cong,Yuanzhang Zhao,Pei Wang,Juntao Feng,Xingchen Feng,Xifeng Ding
出处
期刊:Industrial & Engineering Chemistry Research [American Chemical Society]
卷期号:65 (21): 10672-10681
标识
DOI:10.1021/acs.iecr.6c01345
摘要

Reversible protonic ceramic fuel cells (R-PCFCs) have emerged as a promising energy conversion technology. However, the thermal expansion mismatch between the electrode and electrolyte induces interfacial stress, weakening bonding strength and endangering device durability. Herein, we designed a composite air electrode with a thermal compensatory effect by integrating the active phase PrBa 0.6 Ca 0.4 Co 1.5 Fe 0.5 O 5-δ (PBCCF) and functional phase NdMnO 3-δ (NM) for stable interfacial bonding. The unique thermomechanical behavior originates from the negative thermal expansion caused by the lattice phase transition of NM during heating. This characteristic effectively alleviates interfacial delamination caused by thermal stress accumulation due to the high thermal expansion coefficient of PBCCF. The results show that the single cell with the composite electrode PN82 (80 wt % PBCCF and 20 wt % NM) maintains tight interfacial bonding with negligible performance degradation after thermal cycling over 100 h, far outperforming the PBCCF cell (failed at 78 h). Moreover, the cell achieves a current density of 1.17 A cm –2 in the electrolysis mode (1.3 V) and a peak power density of 521.97 mW cm –2 in the fuel cell mode at 650 °C. These findings establish an effective strategy for stabilizing heterojunctions in high-temperature electrochemical devices and pioneer a new route for thermomechanical stress regulation of high-expansion perovskite energy materials.
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