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固体氧化物燃料电池(SOFC) 是众所周知的最高效、最环保的技术，可在不燃烧的情况下利用化学能发电（NOx和 SOx 的有毒产物几乎可以忽略不计）。SOFC 的这些优势推动了其在少数国家（例如美国、欧洲、日本）的商业化，但其在长期稳定性和高温（HT>700 °C）高维护成本方面的局限性尚未得到克服手术。从这个角度来看，质子传导陶瓷燃料电池 (PCFC) 作为 SOFC 的一个子集，可以很容易地取代氧离子传导 SOFC 系统，已被提出作为中间温度 (IT, 400 – 700℃)燃料电池在较低温度下运行（与 HT-SOFC 相比），可以提高电池组件的耐用性和选择性。此外，与氧离子相比，质子的较低活化能有利于将其应用扩展到移动设备，因为它们的工作温度低，热循环间隔短。基于质子传导氧化物的可逆固体氧化物电化学电池（质子-SOEC，P-SOEC）具有成为在中温下运行的最有效过渡技术的巨大潜力。 来自韩国全南国立大学和韩国世宗大学的学者介绍了钙钛矿型质子导体BaZr0.5Ce0.3Y0.1Yb0.1O3-δ(BZCYYb5311) 并评估了其电化学和传输性能。BZCYYb5311 的化学稳定性通过纯CO2 条件下的热重分析 (TGA) 和 X 射线衍射分析得到证实。在各种 pO2 和 pH2O 条件下使用直流四探针电导率测量获得总电导率和部分电导率。该材料的质子传导率与离子传导率（包括该材料的氧离子传导率）之比在 600°C 时为 98%，表明它是一种相对纯的质子导体，大部分离子传导几乎完全由质子进行。化学扩散率是根据菲克第二定律在氧化/还原和水合/脱水过程中通过非线性最小二乘拟合计算的，并且比具有相似锆含量的其他质子导体 BZCY（Y 掺杂 BaCeO3-BaZrO3）系列更快。 此外，可逆 P-SOEC 的理论性能和效率由 BZCYYb5311 中氧分压和氢分压的空间分布确定，计算了用于燃料电池模式的最大功率密度（4.5 Wcm- 2 在 600 ℃，水蒸气压为3% )和用于电解模式的电流密度（在 1.5 V、600 °C 和 20% 的水蒸气压力下为 12.3 Acm- 2）。结果表明，燃料消耗效率高（在 600
°C 时 0.6 V 时为 99.1%），而电解效率低（在 1.6 V 时为 72.3%），这是由于电解过程中电解液中的主要 p 型状态。通过增加 pH2O 或降低空气电极中的pO2 来恢复电解质状态，可以提高这种低电解效率；但是，它的效率仍然很低。因此，BZCYYb5311 不是用于电解槽的高效电解质材料，但由于其优异的化学稳定性、出色的纯质子传导性和比 BZCY 系统更好的体积扩散，因此有望用于燃料电池。相关文章以“Electrical
properties of BaZr0.5Ce0.3Y0.1Yb0.1O3-δ proton conductor for reversible proton-conducting solid oxide electrochemical
cells”标题发表在Acta Materialia。 论文链接： https:///10.1016/j.actamat.2023.118800
图 1. BZY、BCY、BZCYYb1711 和BZCYYb5311 的相稳定性：(a) 在 1000 ℃
的 CO2 中暴露 2 小时后的 XRD 图和 (b) 在 CO2条件下从室温到 1000 ℃ 的热重分析在往返程序中
图 2.
BZCYYb5311 的总电导率与 (a) 空气条件下的 pH2O和 (b) 在 pH2O = 1.1 ×
10- 3 atm 的 pO2 的函数关系，在 600 至 750 °C 的温度范围内测得。
图 3. 在中间pO2 区域 (10− 10 atm) 中固定 pH2O=0.03 atm 时的基于温度的部分电导率。
图 4. (a, b) 与 BZCYYb1711[19] 的质子转移数和离子转移数比较，以及 (c)
BZCYYb5311 的离子转移数在 600 °C 下随不同湿度作为 pO2 的函数。
图 5. (a)
BZCYYb5311 在燃料电池工作条件下（氧气电极入口为空气，燃料电极入口为 3% 加湿 H2）在 600 °C 下具有各种直流偏置的氢和氧化学势的空间分布曲线。当空气和 H2 分别供应到氧电极和 H2 燃料电极时：(b) 燃料电池模式和 (c) 电解模式在 10、20 和 30 μm 的不同电解质厚度下的理论 I-V 曲线。
图 6. (a) 当空气和 H2 分别供应到氧电极和 H2 燃料电极时，不同电解质厚度 10、20 和 30 μm 下的电解模式。(b) BZCYYb5311 电解液在 600–750 °C 温度范围内的燃料消耗效率和 (e) 电解效率。
图 7. (a)BZCYYb5311与文献34中各种BZCY在pH2O=5.0×10−5时的氧/还原(pO2=1.5×10-2↔6.1×10−3)过程中的氧化学扩散率，以及(b)它们的活化能与Zr含量的关系。(c)在不同的pO2气氛(空气、空气/N2、N2、CO/CO2)下，pH2O(1.8×10−3↔ 2.8×10-3)随pH2O(1.8×10-3↔8×10−3)的变化而变化。(d)质子和(e)氧空位在空气中的化学扩散系数随pH2O的变化。 本研究成功制备了致密的BZCYYb5311颗粒，并使用直流四探针电导率测量系统进行了电化学分析。通过基于缺陷化学调节pH2O和pO2，成功获得了总电导率和部分电导率。BZCYYb5311在一般操作条件下显示纯质子传导，而不是心脏状态BZCYYb1711。此外，与BZCY0和BZCYYb1711相比，在100–1000℃的温度范围内观察到BZCYYb5311对纯CO2具有令人印象深刻的化学稳定性。此外，通过BZCYYb5311中氧和氢分压的空间分布，通过离子和电子电流密度的关系获得了电流-电压特性。从这些结果中，得到了可逆P-SOEC的理论性能与电解液厚度和温度的函数关系。在600℃下，在10 μm的3%加湿氢气和空气下，在没有任何极化损耗的情况下，理论燃料电池和电解性能分别显示最大值为4.5 Wcm−2，在1.5 V时为6.6 Acm−2。由于p型状态的膨胀，在通过电解质的电解过程中会发生较大的电流损失，但是可以通过控制蒸汽电极中的大气条件（相对较低的pO2或高pH2O）来抑制电解液中的p型状态来减少电流损失。此外，与质子导体BZCY系列相比，BZCYYb5311中H和O组分的扩散速度非常快，这表明它可以用作复合材料的电极材料和可逆P-SOEC的电解质。（文：SSC） |
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