Elektrolity ceramiczne Ce0,8Gd0,2O2 jako elementy stałotlenkowych ogniw paliwowych

Raźniak, A.; Dudek, M.; Adamowicz, K.; Lis, B.; Uruski, Ł.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Elektrolity ceramiczne Ce0,8Gd0,2O2 jako elementy stałotlenkowych ogniw paliwowych

Autorzy

Raźniak A. , Dudek M. , Adamowicz K. , Lis B. , Uruski Ł.

Wybrane pełne teksty z tego czasopisma

http://mccm.ptcer.pl/

Identyfikatory

Warianty tytułu

Ce0.8Gd0.2O2 ceramic electrolites for components of SOFCs

Języki publikacji

Abstrakty

W pracy przedstawiono wyniki wybranych badań właściwości elektrolitycznych spieków roztworu stałego Ce0,8Gd0,2O2 (20GDC) stosowanego jako elektrolit w ogniwie paliwowym typu IT-SOFC. Zaprezentowano też wybrane wyniki prac przeprowadzonych w celu wyjaśnienia mechanizmu redukcji tlenu na elektrolicie 20GDC z zastosowaniem metalicznych elektrod punktowych Au, Ag i Pt. Jednofazowe proszki roztworu stałego 20GDC otrzymano metodami współstrącania-prażenia (A) oraz hydrotermalną (B). Próbki 20GDC sporządzone z proszków (A) i (B) spiekano odpowiednio przez 4 h w temperaturze 1270°C oraz w temperaturze 1600°C przez 2 h w powietrzu. Otrzymane w ten sposób gazoszczelne spieki 20GDC przebadano pod kątem długotrwałego działania czynników takich jak: temperatura, skład atmosfery gazowej, a także obciążenia prądowego w ogniwie. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że długotrwała praca spieków 20GDC pod obciążeniem prądowym w atmosferach utleniających nie prowadzi do zauważalnych zmian strukturalnych oraz mikrostrukturalnych elektrolitu. Z kolei, na podstawie wykonanych badań elektrochemicznej redukcji tlenu na granicy faz metal 20GDC z zastosowaniem elektrod punktowych można stwierdzić, że mechanizm elektrody tlenowej jest bardzo skomplikowany, i że wpływają na niego nie tylko właściwości katalityczne materiału elektrody, ale także zależy on od sposobu transportu tlenu do miejsca zachodzenia reakcji.

The paper presents the results of selected studies of electrolytic properties of the sintered Ce0.8Gd0.2O2 (20GDC) solid solution used as electrolyte in IT-SOFC. It also presents the selected results of research carried out to clarify the mechanism of oxygen reduction in the 20GDC electrolyte when metallic Au, Ag and Pt point electrodes were used. Single-phase 20GDC solid solution powders were obtained by coprecipitation-calcination (A) and hydrothermal (B) methods. The 20GDC samples produced from the (A) and (B) powders were sintered respectively for 4 hrs at 1270°C and at 1600°C for 2 hrs in air. The sintered gas-tight 20GDCs were tested for long-term exposure to such factors as temperature, composition of a gaseous reactive atmosphere and current load of the cell. As a result of the research, it has been found that the long-term operation of 20GDC sinters under current load in oxidizing atmospheres did not lead to any noticeable structural or microstructural changes of the electrolyte. On the other hand, on the basis of the studies on electrochemical reduction of oxygen at the metal-20GDC interface, using a point electrode, it can be concluded that the mechanism of the oxygen electrode is very complicated, and it is affected not only by the catalytic properties of the electrode material, but also it depends upon the type of transport of oxygen to the place where the reaction occurs.

Słowa kluczowe

roztwory stałe tlenku ceru(IV) stałotlenkowe ogniwa paliwowe elektroda tlenowa mikroelektrody Ag, Au, Pt

CeO2-based solid solutions solid oxide fuel cell (SOFC) oxygen electrode Pt, Ag, Au microelectrodes

Wydawca

Polskie Towarzystwo Ceramiczne

Czasopismo

Materiały Ceramiczne

Rocznik

2010

Tom

T. 62, nr 2

Strony

134--142

Opis fizyczny

Bibliogr. 29 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Raźniak A.

autor

Dudek M.

autor

Adamowicz K.

autor

Lis B.

autor

Uruski Ł.

Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, potoczek@agh.edu.pl

Bibliografia

(1) Kharton V., Figueiredo F.M., Navarro, L.; Naumovich, E. N.; Kovalevsky, A. V.; Yaremchenko, A. A.; Viskup, A. P.; Carneiro, A.: Marques, F. M. B.; Frade, J. R.: „Ceria-based materials for solid oxide fuel cells”, J. Mater.Sci., 36, (2001), 1105-1117.
(2) Kim N., Lee D.: „Effect of co-dopant addition on properties of gadolina – doped electrolyte”, J. Power Sources, 90, (2000), 139-143.
(3) Haile M.S.: „Materials for Fuel Cells”, Materials Today, 6, (2003), 24-29.
(4) Badwal S.: „Stability of solid oxide fuel cell components” Solid State Ionics, 143, (2001), 39–46.
(5) Yang L., Liu Z., Wang S., Choi Y., Zuo Ch., Liu M.: „A mixed proton, oxygen ion, and electron conducting cathode for SOFCs based on oxide proton conductors”, J. Power Sources, 195, (2010), 471–474.
(6) Wang F.Y., Chen S., Wang Q., Yu S., Cheng S.: „Study on Gd and Mg co-doped ceria electrolyte for intermediate temperature solid oxide fuel cells”, Catalysis Today, 97, (2004), 189-194.
(7) Dudek M.: „Ceramic oxide electrolytes based on CeO2—Preparation, properties and possibility of application to electrochemical devices” J. Eur. Ceram. Soc., 5, (2008), 965–971.
(8) Ramesh S., Reddy C.V.: „Electrical properties of co-doped ceria electrolyte Ce0.8-xGd0.2SrxO2, (0.0 < x < 0.1)”, Acta Physica Polonica A, 115, (2009), 909-913.
(9) Seok P., Lee S.B., Kim D.S., Lee J.H., Kim D., Park H.: „Improvement of Grain-Boundary Conduction in Gadolinia-Doped Ceria by the Addition of CaO”, Electrochem. Solid State Let., 9, 9, (2006), A 399-A402.
(10) Kim D.K., Cho P.S., Lee J.H., Kim D.-Y., Park H.-M., Auchterlonie G. and Drennan J.: „Mitigation of Highly Resistive Grain-Boundary Phase in Gadolinia-Doped Ceria by the Addition of SrO”, Electrochem. Solid State Let., 10, 5, (2007), B91-B95.
(11) Lane J.A., Neff J.L., Chrisitie G.M.: „Mitigation of the deleterious effect of silicon species on the conductivity of ceria electrolytes”, Solid State Ionics, 177, (2006), 1911–1915.
(12) Chockalingam R., Amarakoon V., Giesche H.: „Alumina/cerium oxide nanocomposite electrolyte for solid oxide fuel cells applications”, J. Eur. Ceram. Soc., 28, (2008), 959-963.
(13) Wachsman E.: „Functionally gradient bilayer oxide membranes and electrolytes”, Solid State Ionics, 152-153, (2002), 657-662.
(14) Park Y., Yoon H., Wachsman E.: “Fabrication and characterization of high –conductivity bilayer electrolytes for intermediate–temperature solid oxide fuel cells”, J. Am. Ceram. Soc., 88, (2005), 2402-2408.
(15) Wachsman E., Jayaweera P., Jiang P., Lowe N., Pound D.: „Stable High Conductivity Ceria/Bismuth Bilayer Electrolytes”, J. Electrochem. Soc., 144, (1997), 233-236.
(16) Tomita S., Teranishi S., Nagao M., Hibino S.: „Comparative performance of anode-supported SOFCs, using a thin Ce0.9Gd0.1O1.95 electrolyte with and incorporated BaCe0.8Y0.2O3-a layer”, J. Electrochem. Soc., 153, 6, (2006), A956-A960.
(17) Sammesa M.M., Roya B.R.: „Fuel Cells – Solid Oxide Fuel Cells – Cathodes”, Encyclopedia of Electrochemical Power Sources, tom 3, Garche J. (Red.), (2009), Elsevier Ltd., 25-33.
(18) Singhal S.C., Kendall K.: High Temperature Solid Oxide Fuel Cells, Fundamentals, Design and Applications (2004), Oxford, Elsevier
(19) Ivers-Tiffe E., Weber A., Schichlein H.: „O2 – reduction at high temperatures”: SOFC, Handbook of Fuel Cells – Fundamentals, Technology, and Applications, Vielstich W., Gasteiger H.A., Lamm A. (Red.), tom 2, Electrocatalysis, 2003 John Wiley.
(20) Dygas J.R., Breiter W.: „Measurements of large impedances in a wide temperature and frequency range”, Electrochimica Acta, 41,(1996), 993-1001.
(21) Dygas J.R., Breiter W.: „Variance of errors and elimination of outliers in the least squares analysis of impedance spectra” Electrochimica Acta, 44, (1999), 4163-4174.
(22) Dirstine R.T., Blumenthal R.N., Kuech T.F.: „Ionic conductivity of calcia, yttria and rare-earth doped cerium dioxide”, J. Electrochem. Soc., 126, 2, (1979), 264-269.
(23) Riess I., Braunshetien D., Tannhauser D.S.: „Density and ionic conductivity of sintered (CeO2)0.82(Gd0.15)0.18“, J. Am. Ceram. Soc., 64, 8, (1981), 479-485.
(24) Tianshu Z., Hing P., Huang H.: „Ionic conductivity in the CeO2-Gd2O3 system (0.05
(25) Jonscher A.K.: Universal relaxation law, Chelsea Dielectrics Press London 1996
(26) Almond D.P., Hunter C.C., West A. R.: „The extraction of ionic conductivities and hopping rates from a.c. conductivity data”, J. Mater. Sci., 19, (1984), 3236-3248.
(27) Bogusz W, Sobiestijanskas R, Dygas J.R, Krok F, Orliukas A, Kozakievicius E, Kezonis A: Molecular Physics Reports 27 (2000) 11-17.
(28) Tomczyk P., Żurek S., Mosiałek M.: „Effect of time and polarization on kinetics of the oxygen electrode reaction at an Au|YSZ interface”, J. Electroceram., 23, (2009), 25-36.
(29) Nielsen J., Jacobsen T.: „Three-phase-boundary dynamics at Pt/YSZ microelectrodes”, Solid State Ionics, 178, (2007), 1001-1009.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-AGH1-0023-0068