Kompozytowe przewodniki jonowe lub jonowo-elektronowe zawierające CeO2 lub ZrO2 dla energetyki wodorowej

• Autorzy: Dudek M. , Rapacz-Kmita A.

Warianty tytułu

EN

Composite ionic or ionic-electronic conductors involving CeO2 OR ZrO2 for hydrogen energy

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Dokonano analizy właściwości elektrycznych, elektrochemicznych i mechanicznych kompozytowych elektrolitów tlenkowych, a także membran o mieszanym (jonowo-elektronowym) przewodnictwie elektrycznym pod kątem poprawy parametrów pracy stałotlenkowych ogniw paliwowych (SOFC) czy reaktorów do wytwarzania gazu syntezowego w porównaniu do tworzyw jednofazowych. Dodatek wtrąceń Al2O3 do osnowy przewodnika jonowego 8% mol Y2O3 w ZrO2 (8YSZ) powoduje niewielki wzrost przewodnictwa jonowego tego materiału w temperaturach 500-800°C, a także prowadzi do polepszenia właściwości mechanicznych. Znaczny wzrost odporności na kruche pękanie zanotowano dla kompozytowych spieków 8YSZ zawierających wtrącenia Nd2Ti2O7. Poprawa właściwości mechanicznych elektrolitu 8YSZ jest cechą korzystną w aspekcie zastosowania go jako elementu konstrukcyjnego do budowy większości urządzeń elektrochemicznych. Wzrost składowej przewodnictwa elektronowego w elektrolitach cerowych przy niskich prężnościach tlenu prowadzi do spadku efektywności pracy ogniw SOFC. Projektowanie gradientowych elektrolitów tlenkowych Ce0,8Sm0,2O2-Bi0,8Eb0,2O2 lub hybrydowych zbudowanych z przewodnika protonowego BaCe0,8Y0,2O3 i przewodnika jonów tlenu, np. Ce0,8M0,2O2, M = Sm, Gd, powoduje poprawę stabilności tych materiałów w redukujących atmosferach gazowych. Stałotlenkowe ogniwa paliwowe (SOFC) z tymi elektrolitami posiadają znacznie lepsze parametry pracy niż te same ogniwa, lecz zawierające tylko elektrolit cerowy. Kompozytowe ceramiczne membrany o jonowo-elektronowym przewodnictwie w układzie Ce0,8Sm0,2O2-La0,8Sr0,2CrO3 czy Ce0,8Sm0,2O2-CoFe2O4 wydają się być perspektywicznymi tworzywami do konstrukcji reaktorów chemicznych przeznaczonych do wytwarzania gazu syntezowego. Podstawowymi zaletami tych kompozytów oprócz zdolności do transportu strumienia tlenu są także stabilność chemiczna i termiczna podczas długotrwałej pracy w warunkach znacznego gradientu ciśnień tlenu.

EN

This work is focused on the comparative analysis of electrical, electrochemical and mechanical properties of composite ceramic oxide electrolytes or composite mixed (ionic-electronic) oxide membranes providing a brief overview of the materials having better performance than monophase ones in solid oxide fuel cells or electrochemical reactors for syngas production. Introduction of Al2O3 inclusions into 8% mol Y2O3 in ZrO2 (8YSZ) matrix, caused small improvement of ionic conductivity in the temperature range 500-800°C and also lead to improvement of mechanical properties compared to pure 8YSZ. The Nd2Ti2O7 secondary phase was also able to coexist with 8YSZ matrix and the fracture toughness KIc of 8YSZ ceramics was also significantly improved by Nd2Ti2O7 addition. The improvement of mechanical properties of 8YSZ electrolyte is a important feature for application of this material in electrochemical devices. The increase of electronic conductivity in ceria-based electrolytes in low oxygen partial pressure caused the decrease of solid oxide fuel cell performance. On the other hand composite layered ceramics involving Ce0.8Sm0.2O2/Bi0.8Eb0.2O2 or Ce0.9Gd0.1O2/BaCe0.8Y0.2O3/Ce0.9Gd0.1O1.95 system exhibited better electrolytic stability in gas atmospheres with low oxygen partial pressure at the temperatures 600-800°C. These materials are successfully tested as electrolytes in solid oxide fuel cells. The gradient ceramic oxide electrolytes seems to overcome the limitation of applying them as solid electrolytes in solid oxide fuel cells for long time per-formance. The design of gradient solid oxide electrolytes in the Ce0.8Sm0.2O2-Bi0.8Eb0.2O2 system or hybrid composite electrolytes involving BaCe0.8Y0.2O3 as a proton ionic conductor and Ce0.8M0.2O2, M = Sm, Gd as a oxygen ionic conductor caused the improvement of chemical stability of this material in reducing gas atmospheres. The solid oxide fuel cells involving such composite electrolytes have a much better parameters of performance than the same solid oxide fuel cell involving only ceriabased electrolytes. The dense composite ceramic membrane made of mixed oxygen ion and electron conducting oxides Ce0.8Sm0.2O2La0.8Sr0.2CrO3 or Ce0.8Sm0.2O2-CoFe2O4 seem to be perspective materials for electrochemical reactors for partial methane oxidation (POM). The main advantages of such composites are only considerable amounts of oxygen permeation flux but also chemical and thermal stability in long-term performance in reactor conditions.

Słowa kluczowe

PL

energetyka wodorowa; elektrolity tlenkowe; przewodnik protonowy; stałotlenkowe ogniwo paliwowe; gaz syntezowy

EN

hydrogen energy; solid oxide electrolytes; protonic conductor; solid oxide fuel cell; syngas

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2009
• Tom: R. 9, nr 2
• Strony: 101--106
• Opis fizyczny: Bibliogr. 40 poz., rys.

Twórcy

autor

Dudek M.

autor

Rapacz-Kmita A.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków,

Bibliografia

• [1] Nowe kierunki wytwarzania i wykorzystania energii - Zrównoważony rozwój energetyczny, pod redakcją W. Wójcika, Lubelskie Towarzystwo Naukowe, Lublin 2005.
• [2] Raźniak A., Dudek M., Wykorzystanie paliw kopalnych i źródeł odnawialnych do zasilania ogniw paliwowych, Gospodarka Surowcami Mineralnymi 2008, 24, 285-294.
• [3] Marban G., Valdes-Solis T., Towards the hydrogen economy, International Journal of Hydrogen Energy 2007, 32, 1625-37.
• [4] Czerwiński A., Akmulatory, baterie, ogniwa, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2005.
• [5] Tomczyk P., Energetyka wodorowa, [w:] Odnawialne źródła energii, red. M. Gałuszka, J. Paruch, Tarnobrzeg 2008.
• [6] Minh N.Q., Ceramic fuel cell, Journal of the American Ceramic Society 1993, 73, 563-588.
• [7] Molenda J., Świerczek K., Zając W., Wysokotemperaturowe tlenkowe ogniwa paliwowe - nowe kierunki badań, Przemysł Chemiczny 2005, 84, 11, 845-852.
• [8] Advances in Ceramics, Science and Technology of Zirconia, tom 1-5, 1982-1993.
• [9] Knauth P., Tuller H., Solid State Ionics: Roots, Status and Future Prospects, Journal of the American Ceramic Society 2002, 85, 1654-80.
• [10] Badwal S., Stability of solid oxide fuel cell components, Solid State Ionics 2001, 143, 39-46.
• [11] Kim J., Sprenkle V.L., Canfield N.L., Meinhardt K.D., Chick L.A., Effects of chrome contaminations on the performance of La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3 cathode used in solid oxide fuel cells, Journal of the Electrochemical Society 2006, 153, 5, 880-886.
• [12] Inaba H., Tagawa H., Ceria - based solid electrolytes, Solid State Ionics 1996, 83, 1-16.
• [13] Enoki M., Yan J., Matsumoto H., Ishihara T., High oxide ion conductivity in Fe and Mg doped LaGaO3 as the electrolyte of solid oxide fuel cell, Solid State Ionics 2006, 177, 2053-2057.
• [14] Krok F., Abrahams I., Wróbel W., Kozanecka-Szmigiel A., Dygas J., Oxide-ion conductors for fuel cell, Materials Science - Poland 2006, 24, 13-22.
• [15] Agrawal R.C., Gupta R.K., Superionic solids: composite electrolyte phase, Journal of Materials Science 1999, 34, 1131-62.
• [16] Nan C., Smith D., A.c properties of composite solid electrolytes, Materials Science and Engineering 1991, B10, 99-106.
• [17] Shai K., Wagner J., Enhanced ionic conduction in dispersed solid electrolyte systems (DSES) and/or multiphase systems: AgI-Al2O3, Agl-SiO2, AgI-Fly ash, and AgI-AgBr, Journal of Solid State Chemistry 1982, 42, 107-119.
• [18] Knauth P., Debierre J., Albient G., Electrical conductivity of model composites of an ionic conductor (CuBr) and an insulator (TiO2, Al2O3): experiments and percolation-type model, Solid State Ionics 1999, 121, 101-106.
• [19] Butler E., Drennan J., Microstructural analysis of sintered high-conductivity zirconia with Al2O3 additions, Journal of the American Ceramic Society 1982, 65, 474-480.
• [20] Guo X., Yuan R., Roles of alumina in zirconia-based solid electrolyte, Journal of Materials Science 1995, 30, 923-331.
• [21] Bućko M.M., Ionic conductivity of alumina - zirconia composites, Polish Ceramic Bulletin 2000, 61, 95-102.
• [22] Oe K., Kikkawa K., Kishimoto A., Nakamura Y., Yanagida H., Toughening of ionic conductive zirconia ceramics utilizing a nonlinear effect, Solid State Ionics 1996, 91,131-136.
• [23] Bućko M.M., Pyda W., Effect on inclusion size on mechanic-al properties of alumina toughened cubic zirconia, Journal of Materials Science 2005, 40, 5191-5198.
• [24] Thockhom J.S., Xiao H., Rottmayer M., Reitz R.T., Kumar B., Heterogonous electrolyte (YSZ-Al2O3) based direct oxidation solid oxide fuel cell, Journal of Power Sources 2008, 178, 26-33.
• [25] Minh N.Q., Solid oxide fuel cell technology-features and applications, Solid State Ionics 2004, 174, 271-277.
• [26] Liu X., Chen X., Toughening of 8Y-FSZ ceramics by neodymium titanate secondary phase, Journal of the American Ceramic Society 2005, 88, 456-558.
• [27] Inaba H., Tagawa H., Ceria-based solid electrolytes, Solid State Ionics 1996, 83, 1-16.
• [28] Dudek M., Ceramic oxide electrolytes based on CeO2 - preparation, properties and possibility of application to electro-chemical devices Journal of the European Ceramic Society 2008, 5, 961-971.
• [29] Chockalingam R., Amarakoon V., Giesche H., Alumina/ /cerium oxide nano-composite electrolyte for solid oxide fuel cells applications, Journal of the European Ceramic Society 2008, 28, 959-963.
• [30] Wachsman E., Functionally gradient bilayer oxide membranes and electrolytes, Solid State Ionics 2002, 152-153, 657-662.
• [31] Park Y., Yoon H., Wachsman E., Fabrication and characterization of high-conductivity bilayer electrolytes for inter- mediate-temperature solid oxide fuel cells, Journal of the American Ceramic Society 2005, 88, 2402-2408.
• [32] Wachsman E., Jayaweera P., Jiang P., Lowe N., Pound D., Stable High Conductivity Ceria/Bismuth Bilayer Electrolytes, Journal of the Electrochemical Society 1997, 144, 233-236.
• [33] Iwahara H., Uchida U., Ogaki K., Nagato H., Nernstian hydrogen sensor using BaCeO3-based proton conducting ceramics operative at 200-900°C, Journal of the Electrochemical Society 1991, 138, 295-299.
• [34] Szlęk M., Dudek M., Przybylski K., Otrzymywanie i właściwości fizykochemiczne przewodzących elektrolitów protonowych do zastosowania w ceramicznych ogniwach paliwowych, Polski Biuletyn Ceramiczny 2008, 103, 195-202.
• [35] Staurt P., Unno T., Kilner J., Skinner S., Solid oxide proton conducting steam electrolysers, Solid State Ionics 2008, 179, 1120-1124.
• [36] Hyun K., Haile S., Chemical stability and proton conductivity of doped BaCeO3-BaZrO3 solid solutions, Solid State Ionics 1999, 125, 355-367.
• [37] Tomita S., Teranishi S., Nagato M., Hibinio T., Sano M., Comparative performance of anode - supported SOFCs using a thin Ce0.9Gd0.1O1.95 electrolyte with an incorporated BaCe0.8Y0.2O2 layer in hydrogen and methane, Journal of the Electrochemical Society 2006, 153, 6, 956-960.
• [38] Hirabayashi T., Tomita D., Teranishi Y., Hibinio T., Sano M., Solid State Ionics 2005, 176, 881-887.
• [39] Wang B., Yi J., Winnubst L., Chen Ch., Stability and oxygen - permeation behaviour of Ce0.8Sm0.2O2-La0.8Sr0.2CrO3 composite membrane under large oxygen partial pressure gradients, Journal of Membrane Science 2006, 286, 22-25.
• [40] Kagomiya I., Iijima T., Takamura H., Oxygens permeability of nanocrystalline Ce0.8Gd0.2O1.9-CoFe2O4 mixed conductive films, Journal of Membrane Science 2006, 286, 180-184.