PL EN


Preferencje help
Widoczny [Schowaj] Abstrakt
Liczba wyników
Tytuł artykułu

Supporting effect of silver on BSCF cathodes for SOFC

Wybrane pełne teksty z tego czasopisma
Identyfikatory
Warianty tytułu
PL
Wspomagający efekt srebra w katodach BSCF stosowanych w SOFC
Języki publikacji
EN
Abstrakty
EN
Cathode materials for solid oxide fuel cells should show good catalytic activity in the oxygen reduction reaction (ORR), high electronic and ionic conductivities at relatively low temperature, and the thermal expansion coefficients (TECs) compatible with the electrolyte. Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3–δ (BSCF) shows one of the greatest catalytic activity in ORR which occurs on the overall surface of the electrode. Oxygen vacancies in BSCF permit to transport a significant amount of oxygen ions. Nevertheless, BSCF revealed its high TEC and low electrical conductivity. Some properties of the electrode can be improved by adding a second phase to the BSCF electrode. Silver shows the greatest electronic conductivity among metals; it is cheap and has excellent catalytic activity in the ORR. Moreover, the presence of Ag in the composite cathode increases the electronic conductivity of the cathode and reduces the area specific resistance (ASR). The goal of this work is to make comparison among properties of the BSCF cathode, the Ag cathode, the cathode with silver interlayer between BSCF and electrolyte (Ag|BSCF), and the Ag|BSCF cathode with the additional silver layer on the top of the cathode (Ag|BSCF|Ag). The cathodes were prepared on the Ce0.8Sm0.2O1.9 electrolyte disks and tested using scanning electron microscopy (SEM) and electrochemical impedance spectroscopy. SEM examinations of the obtained electrodes revealed consistent with the goal, well connected, porous 3D structures. The contact was significantly better in case of the composite electrodes. Equivalent electrical circuits were used for fitting impedance spectra. The circuits consisted of a resistor R0 and three (or two) resistors and capacitors parallel connected in pairs (Ri, Ci) and combined in series. The fitting errors were smaller than 0.7% in all cases. The m and α coefficients were received from Arrhenius plots of ASR and the fitting, and indicated that the charge transfer was the rate-determining step for the Ag|BSCF|Ag electrode, whereas for the BSCF and Ag|BSCF electrodes it was the oxygen ions transport through the BSCF. Activation energies of ASR for the BSCF, Ag, Ag|BSCF and Ag|BSCF|Ag cathodes were similar, yielding the values of 55.1 kJ∙mol-1, 47.7 kJ∙mol-1 , 47.7 kJ∙mol-1 and 37.9 kJ∙mol-1, respectively.
PL
Materiały katodowe stosowane w ogniwach paliwowych z elektrolitem ze stałego tlenku powinny charakteryzować się dobrą aktywnością katalityczną w reakcji redukcji tlenu (ang. oxygen reduction reaction, ORR), wysokim przewodnictwem elektronowym i jonowym w relatywnie niskich temperaturach, a także współczynnikiem rozszerzalności termicznej kompatybilnym z elektrolitem. Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3–δ (BSCF) jest jednym z najlepszych katalizatorów ORR. Wysokie przewodnictwo jonowe anionów tlenkowych BSCF zawdzięcza obecności dużej ilości wakancji tlenowych. Niemniej jednak BSCF charakteryzuje się wysokim współczynnikiem rozszerzalności termicznej oraz niskim przewodnictwem elektronowym. Tworzenie katod kompozytowych z domieszkowaniem odpowiednich materiałów może doprowadzić do polepszenia właściwości elektrody wykonanej z BSCF. Doskonałym materiałem do tworzenia kompozytów z BSCF jest srebro. Srebro jest nie tylko tanim materiałem o wysokiej aktywności katalitycznej w ORR, ale przede wszystkim charakteryzuje się najwyższym wśród metali przewodnictwem elektronowym. Zjawisko „płynięcia” srebra pod wpływem wysokich temperatur przyczynia się do polepszenia kontaktu między elektrodą a elektrolitem, co jest niezbędne do zwiększenia przewodnictwa elektronowego katody oraz obniżenia wartości oporu polaryzacyjnego. Celem niniejszej pracy jest porównanie jednoskładnikowych elektrod wykonanych z BSCF oraz srebra z elektrodą kompozytową Ag|BSCF, w której na warstwę srebra nałożono warstwę BSCF oraz z elektrodą Ag|BSCF|Ag z dodatkową warstwą srebra na powierzchni. Elektrody wykonano na elektrolicie w postaci dysku wykonanego z Ce0,8Sm0,2O1,9. Otrzymane kompozyty scharakteryzowano metodami skaningowej mikroskopii elektronowej i elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej. Zdjęcia z mikroskopu elektronowego potwierdziły otrzymanie porowatych, trójwymiarowych struktur. W celu dopasowania widm impedancyjnych zastosowano zastępcze obwody elektryczne, składające się z połączonych szeregowo rezystora R0 i trzech (lub dwóch) połączonych równolegle par rezystorów i kondensatorów (Ri, Ci). Błędy dopasowań w każdym przypadku nie przekraczały 0,7%. Wartości współczynników m oraz α, otrzymane z równania Arrheniusa oraz dopasowań, wskazują, że dla katody Ag|BSCF|Ag etap przenoszenia ładunku limituje szybkość reakcji, podczas gdy dla elektrod BSCF i Ag|BSCF etapem limitującym jest transport jonów tlenkowych poprzez BSCF. Energia aktywacji dla oporu polaryzacyjnego elektrod BSCF, Ag, Ag|BSCF i Ag|BSCF|Ag jest zbliżona i wynosi odpowiednio 55,1 kJ∙mol-1, 47,7 kJ∙mol-1 , 47,7 kJ∙mol-1 i 37,9 kJ∙mol-1.
Rocznik
Strony
70--75
Opis fizyczny
Bibliogr. 20 poz., rys., wykr., tab
Twórcy
autor
  • Jerzy Haber Institute of Catalysis and Surface Chemistry PAS, 30–239 Cracow, Niezapominajek 8, Poland
autor
  • Jerzy Haber Institute of Catalysis and Surface Chemistry PAS, 30–239 Cracow, Niezapominajek 8, Poland
autor
  • Jerzy Haber Institute of Catalysis and Surface Chemistry PAS, 30–239 Cracow, Niezapominajek 8, Poland
autor
  • Jerzy Haber Institute of Catalysis and Surface Chemistry PAS, 30–239 Cracow, Niezapominajek 8, Poland
autor
  • Jerzy Haber Institute of Catalysis and Surface Chemistry PAS, 30–239 Cracow, Niezapominajek 8, Poland
  • Jerzy Haber Institute of Catalysis and Surface Chemistry PAS, 30–239 Cracow, Niezapominajek 8, Poland
  • Pex-Pool Plus Technologie sp. z o. o., Kraków Poland
Bibliografia
  • [1] Badwal, S. P. S., Foger, K.: Solid Oxide Electrolyte Fuel Cell Review, Ceram. Int., 22, (1996), 257-265.
  • [2] Shao, Z. P., Haile, S. M.: A high-performance cathode for the next generation of solid-oxide fuel cells, Nature, 431, (2004), 170-173.
  • [3] Zhou, W., Ran, R., Shao, Z.: Progress in understanding and development of Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ-based cathodes for intermediate-temperature solid-oxide fuel cells: A review, J. Power Sources, 192, (2009), 231-246.
  • [4] Wang, Y., Wang, S., Wang, Z., Wen, T., Wen, Z.: Performance of Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ-CGO-Ag cathode for IT-SOFCs, J. Alloys Compd., 428, (2007), 286-289.
  • [5] Baker, R., Giundet, J., Kleitz, M.: Classification Criteria for Solid Oxide Fuel Cell Electrode Materials, J. Electrochem. Soc., 144 (1997), 2427-2432.
  • [6] Zhang, Y., Liu, J., Huang, X., Lu, Z., Su, W.: Low temperature solid oxide fuel cell with Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 cathode prepared by screen printing, Solid State Ionics, 179, (2008), 250-255.
  • [7] Tatko, M., Mosiałek, M., Dudek, M., Nowak, P., Kędra, A., Bielańska, E.: Composite cathode materials Sm0.5Sr0.5CoO3–La0.6Sr0.4FeO3 for solid oxide fuel cells, Solid State Ionics, 271, (2015), 103-108.
  • [8] Mosiałek, M., Tatko, M., Dudek, M., Bielańska, E., Mordarski, G.: Composite Ag–La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3–δ cathode material for solid oxide fuel cells, preparation and characteristic, Arch. Metall. Mater., 58, (2013), 1341-1345.
  • [9] Guo, Y., Zhou, Y., Chen, D., Shi, H., Ran, R., Shao, Z.: Significant impact of the current collection material and method on the performance of Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ electrodes in solid oxide fuel cells, J. Power Sources, 196, (2011), 5511-5519.
  • [10] Mosiałek, M., Dudek, M., Michna, A., Tatko, M., Kędra, A., Zimowska, M.: Composite cathode materials Ag-Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 for solid oxide fuel cells, J. Solid State Electrochem., 18, (2014), 3011-3021.
  • [11] Mosiałek, M., Dudek, M., Wojewoda-Budka, J.: Composite La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3/Ag cathode for SOFCs with Ce0.8Sm0.2O1.9 electrolyte, Arch. Metall. Mater., 58, (2013), 275-281.
  • [12] Mosiałek, M., Nowak, P., Dudek, M., Mordarski, G.: Oxygen reduction at the silver|Gd0.2Ce0.8O1.9 interface studied by electrochemical impedance spectroscopy and cyclic voltammetry at the silver point electrode, Electrochimica Acta, 120, (2014), 248-257.
  • [13] Simka, W., Mosiałek, M., Nawrat, G., Nowak, P., Żak, J., Szade, J., Winiarski, A., Maciej, A., Szyk-Warszyńska, L.: Electrochemical polishing of Ti–13Nb–13Zr alloy, Surf. Coat. Techn., 213, (2012), 239-246.
  • [14] Philippeau, B., Mauvy, F., Nicollet, C., Fourcade, S., Grenier, J. C.: Oxygen reduction reaction in Pr2NiO4+δ/Ce0.9Gd0.1O1.95 and La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ/ La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O2.80 half cells: an electrochemical study, J. Solid State Electrochem., 19, (2015), 871-882.
  • [15] Tatko, M., Mosiałek, M., Dudek, M., Nowak, P., Kędra, A., Bielańska, E.: Composite cathode materials Sm0.5Sr0.5CoO3–La0.6Sr0.4FeO3 for solid oxide fuel cells, Solid State Ionics, 271, (2015), 103-108.
  • [16] Liu, B., Zhang, Y., Zhang, L.: Oxygen reduction mechanism at Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ cathode for solid oxide fuel cell, Int. J. Hydrogen Energy, 34, (2009), 1008-1014.
  • [17] He, B., Ding, D., Ling, Y., Xu, J., Zhao, L.: Efficient modification for enhancing surface activity of Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ oxygen permeation membrane, J. Membrane Sci., 477, (2015), 7-13.
  • [18] Yunlong, W., Lei, Z., Fanglin, C., Changrong, X.: Effects of doped ceria conductivity in the performance of La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ cathode for solid oxide fuel cell, Int. J. Hydrogen Energy, 37, (2012), 8582-8591.
  • [19] Xu, X., Cao, C., Xia, C., Peng, D.: Electrochemical performance of LSM-SDC electrodes prepared with ion-impregnated LSM, Ceram. Int., 35, (2009), 2213-2218.
  • [20] Nielsen, J., Jacobsen, T., Wandel, M.: Impedance of porous IT-SOFC LSCF:CGO composite cathodes, Electrochimica Acta, 56, (2011), 7963-7974.
Uwagi
PL
Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.
Typ dokumentu
Bibliografia
Identyfikator YADDA
bwmeta1.element.baztech-92eb0cab-96c2-4af7-85e2-93e8ad4f8f16
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.