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物理学 > 应用物理

arXiv:1802.05789 (physics)
[提交于 2018年2月15日 ]

标题: 通过新型直接碳燃料电池在600摄氏度以下实现碳的直接电化学氧化

标题: Achieving Direct Electrochemical Oxidation of Carbon below 600oC through a Novel Direct Carbon Fuel Cell

Authors:Wei Wu, Yunya Zhang, Dong Ding, Ting He
摘要: 直接碳燃料电池(DCFCs)是高效的发电装置,由丰富且廉价的固态碳燃料提供动力。 然而,燃料电极内三相边界(TPBs)的形成有限,由于质量传递的限制,即使在高温下也会抑制其性能。 这也导致燃料的直接利用率低。 为同时解决碳氧化活性低和碳利用率低的问题,开发了一种高效、三维固态结构阳极,以提高600°C以下DCFC的性能。 采用三维纺织阳极、Gd:CeO2-Li/Na2CO3复合电解质和Sm0.5Sr0.5CoO3(SSC)阴极的电池,在500°C、550°C和600°C时分别表现出最大功率密度为143、196和325 mW cm-2的优异性能。 在500°C时,电池可在恒定电流密度0.15 A cm-2下稳定运行,额定功率密度约为0.13 W cm-2,碳利用率超过86%。 电池性能在如此温度下的显著提升归因于复合电解质的高协同导电性和优越的三维阳极结构,该结构为碳催化氧化提供了更多路径。 我们的结果表明,在500-600°C下直接电化学氧化固态碳是可行的,并具有高碳利用率,代表了一种开发用于燃料电池和其他电化学设备的三维结构电极的有前途策略。
摘要: Direct carbon fuel cells (DCFCs) are highly efficient power generators fueled by abundant and cheap solid carbons. However, the limited formation of triple phase boundaries (TPBs) within fuel electrodes inhibits their performance even at high temperatures due to the limitation of mass transfer. It also results in low direct-utilization of the fuel. To address the challenges of low carbon oxidation activity and low carbon utilization simultaneously, a highly efficient, 3-D solid-state architected anode has been developed to enhance the performance of DCFCs below 600C. The cells with the 3-D textile anode, Gd:CeO2-Li/Na2CO3 composite electrolyte, and Sm0.5Sr0.5CoO3 (SSC) cathode have demonstrated excellent performance with maximum power densities of 143, 196, and 325 mW cm-2 at 500, 550, and 600C, respectively. At 500C, the cells could be operated steadily with a rated power density of ~0.13 W cm-2 at a constant current density of 0.15 A cm-2 with a carbon utilization over 86%. The significant improvement of the cell performance at such temperatures attributes to the high synergistic conduction of the composite electrolyte and the superior 3-D anode structure which offers more paths for carbon catalytic oxidation. Our results indicate the feasibility of direct electrochemical oxidation of solid carbon at 500-600C with a high carbon utilization, representing a promising strategy to develop 3-D architected electrodes for fuel cells and other electrochemical devices.
主题: 应用物理 (physics.app-ph)
引用方式: arXiv:1802.05789 [physics.app-ph]
  (或者 arXiv:1802.05789v1 [physics.app-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.1802.05789
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: Advanced Materials, 2017
相关 DOI: https://doi.org/10.1002/adma.201704745
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来自: Wei Wu [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2018 年 2 月 15 日 23:11:11 UTC (1,428 KB)
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