Microstructure influence on transport properties of BCZY/LNZ composites for single-layer fuel cell

• Autorzy: Miruszewski Tadeusz , Mielewczyk-Gryń Aleksandra , Jones Stefania , Winiarz Piotr , Dzierzgowski Kacper , Szpunar Iga , Zagórski Krzysztof , Wachowski Sebastian , Gazda Maria

Warianty tytułu

PL

Wpływ mikrostruktury na właściwości transportowe kompozytów BCZY/LNZ dla jednowarstwowych ogniw paliwowych

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

In this paper, the influence of structural and microstructural properties on the properties of electric transport is presented. Composite samples of BaCe0.7Zr0.2Y0.1O3–δ (BCZY) and Li2O:NiO:ZnO (LNZ) with various amount of polyvinyl alcohol (PVA) have been prepared by solid-state reaction route. The porosity caused by the addition of PVA changed the level of total conductivity from 5.8∙10-2 S•cm-1 to 9.5∙10-4 S•cm-1 at 800 °C in dry air. In the humidified atmosphere, the overall conductivities of selected composites were different than measured in dry air what may be related to the surface effects in proton conducting BaZrO3. The influence of porosity on the electrical properties of composites has been analyzed and discussed showing its detrimental nature.

PL

W artykule przedstawiono wpływ właściwości strukturalnych i mikrostrukturalnych na właściwości transportu elektrycznego. Próbki kompozytowe BaCe0,7Zr0,2Y0,1O3-δ (BCZY) i Li2O:NiO:ZnO (LNZ) z różną ilością polialkoholu winylowego (PVA) przygotowano drogą reakcji w fazie stałej. Porowatość spowodowana dodaniem PVA zmieniła poziom całkowitej przewodności z 5,8∙10-2 S∙cm-1 na 9,5∙10-4 S∙cm-1 w temperaturze 800 °C w suchym powietrzu. W wilgotnej atmosferze całkowita przewodność elektryczna wybranych kompozytów była inna niż zmierzona w suchym powietrzu, co może być związane z efektami powierzchniowymi w protonowo przewodzącym BaZrO3. Analizowano wpływ porowatości na właściwości elektryczne kompozytów i dyskutowano o jej szkodliwym charakterze.

Słowa kluczowe

EN

ceramic conductors; electrical conductivity; fuel cells

PL

przewodniki ceramiczne; przewodność elektryczna; ogniwa paliwowe

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2019
• Tom: T. 71, nr 3
• Strony: 238--247
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Miruszewski Tadeusz

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Applied Physics and Mathematics, Department of Solid State Physics, Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk

autor

Mielewczyk-Gryń Aleksandra

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Applied Physics and Mathematics, Department of Solid State Physics, Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk

autor

Jones Stefania

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Applied Physics and Mathematics, Department of Solid State Physics, Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk

autor

Winiarz Piotr

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Applied Physics and Mathematics, Department of Solid State Physics, Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk

autor

Dzierzgowski Kacper

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Applied Physics and Mathematics, Department of Solid State Physics, Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk

autor

Szpunar Iga

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Applied Physics and Mathematics, Department of Solid State Physics, Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk

autor

Zagórski Krzysztof

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Applied Physics and Mathematics, Department of Solid State Physics, Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk

autor

Wachowski Sebastian

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Applied Physics and Mathematics, Department of Solid State Physics, Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk

autor

Gazda Maria

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Applied Physics and Mathematics, Department of Solid State Physics, Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk

Bibliografia

• [1] Norby, T.: Solid-state protonic conductors: principles, properties, progress and prospects, Solid State Ionics, 125, (1999), 1–11. doi:10.1016/S0167-2738(99)00152-6.
• [2] Berger, P., Mauvy, F., Grenier, J.-C., Sata, N., Magrasó, A., Haugsrud, R., Slater, P. R.: Proton Hydration and Transport Properties in Proton-Conducting Ceramics: Fundamentals and Highlights, in: M. Marrony (Ed.), Proton-Conducting Ceramics: From Fundamentals to Applied Research, Pan Stanford Publishing, Singapore, 2016, 1–72.
• [3] Gdula-Kasica, K., Mielewczyk-Gryn, A., Molin, S., Jasinski, P., Krupa, A., Kusz, B., Gazda, M.: Optimization of microstructure and properties of acceptor-doped barium cerate, in Solid State Ionics 18, Proceedings of the 18th International Conference on Solid State Ionics Warsaw, Poland, July 3 -8, 2011, Elsevier B.V., 2012, 245–249. doi:10.1016/j.ssi.2012.04.022.
• [4] Tao, Z., Bi, L., Zhu, Z., Liu, W.: Novel cobalt-free cathode materials BaCexFe1-xO3-δ for proton-conducting solid oxide fuel cells, J. Power Sources, 194, (2009), 801–804. doi:10.1016/j.jpowsour.2009.06.071.
• [5] Zhang, C., Zhao, H.: A novel cobalt-free cathode material for proton-conducting solid oxide fuel cells, J. Mater. Chem., 22, (2012), 18387. doi:10.1039/c2jm32627b.
• [6] Wu, J., Zhu, B., Mi, Y., Shih, S.-J., Wei, J., Huang, Y.: A novel core–shell nanocomposite electrolyte for low temperature fuel cells, J. Power Sources, 201, (2012), 164–168. doi:10.1016/j.jpowsour.2011.10.084.
• [7] De Souza, M., Sartori, F.: ScienceDirect Novel materials for solid oxide fuel cell technologies : A literature review, 2 (2017). doi:10.1016/j.ijhydene.2017.08.105.
• [8] Aruna, S. T., Muthuraman, M., Patil, K. C.: Synthesis and properties of Ni-YSZ cermet : anode material for solid oxide fuel cells, Solid State Ionics, 111, (1998), 45–51.
• [9] Gao, Z., Raza, R., Zhu, B., Mao, Z., Wang, C., Liu, Z.: Preparation and characterization of Sm0.2Ce0.8O1.9/Na2CO3 nanocomposite electrolyte for low-temperature solid oxide fuel cells, Int. J. Hydrogen Energy, 36, (2011), 3984–3988. doi:10.1016/j.ijhydene.2010.12.061.
• [10] Fan, L., Wang, C., Osamudiamen, O., Raza, R., Singh, M., Zhu, B.: Mixed ion and electron conductive composites for single component fuel cells : I. Effects of composition and pellet thickness, J. Power Sources, 217, (2012), 164–169. doi:10.1016/j.jpowsour.2012.05.045.
• [11] Zhu, B., Raza, R., Abbas, G., Singh, M.: An Electrolyte-Free Fuel Cell Constructed from One Homogenous Layer with Mixed Conductivity, Adv. Funct. Mater., 21, (2011), 2465–2469. doi:10.1002/adfm.201002471.
• [12] Khan, M. A., Raza, R., Chaudhry, M. A., Abbas, G., Rafique, A., Ullah, M. K., Ali, A., Mushtaq, M. N.: Ceria Based Nano-Composite Electrodes for Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells (IT-SOFCs), Digest J. Nanomater. Biostr., 11, 2, (2016), 465-475.
• [13] Zagórski, K., Miruszewski, T., Szymczewska, D., Jasinski, P., Gazda, M.: Synthesis and testing of BCZY / LNZ mixed proton – electron conducting composites for fuel cell applications, Procedia Eng., 98, (2014), 121–128. doi:10.1016/j.proeng.2014.12.498.
• [14] Zuo, C., Zha, S., Liu, M., Hatano, M., Uchiyama, M.: Ba(Zr0.1Ce0.7Y0.2)O3–δ as an Electrolyte for Low-Temperature Solid-Oxide Fuel Cells, Adv. Mater., 18, (2006), 3318–3320. doi:10.1002/adma.200601366.
• [15] Barison, S., Battagliarin, M., Boldrini, S., Chiodelli, G., Doubova, L., Fabrizio, M., Gerbasi, R., Malavasi, L., Mortalo, C.: BaCe1-x-yZrxYyO3-δ Proton Conductors: The Role of the Synthetic Route on Their Properties, ECS Trans., 11, 33, (2008), 89–96.
• [16] Xia, Y., Liu, X., Bai, Y., Li, H., Deng, X., Niu, X., Wu, X., Zhou, D., Lv, M., Z. Wang, Meng, J.: Electrical conductivity optimization in electrolyte-free fuel cells by single-component Ce0.8Sm0.2O2-δ-Li0.15Ni0.45Zn0.4 layer, RSC Adv., 2, (2012), 3828-3834 doi:10.1039/c2ra01213h.
• [17] Zallen, R.: The Physics of Amorphous Solids, John Wiley & Sons, Ltd, New York, 1983.
• [18] Saeed, S. W., Norby, T., Bjørheim, T. S.: Charge-Carrier Enrichment at BaZrO3/SrTiO3 Interfaces, J. Phys. Chem. C, 123, (2019), 34. doi:10.1021/acs.jpcc.9b06296.
• [19] Bjørheim, T. S., Arrigoni, M., Saeed, S. W., Kotomin, E., Maier, J.: Surface Segregation Entropy of Protons and Oxygen Vacancies, Chem. Mater., 28, 5, (2016), 1363-1368. doi:10.1021/acs.chemmater.5b04327.
• [20] Bruggeman, D. A. G.: Berechnung verschiedener physikalischer Konstanten von heterogenen Substanzen. I. Dielektrizitätskonstanten und Leitfähigkeiten der Mischkörper aus isotropen Substanzen, Ann. Phys., 416, (1935), 636–664. doi:10.1002/andp.19354160705.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).