Analiza zjawisk zachodzących podczas elektrochemicznej redukcji tlenu na granicy faz punktowa katoda tlrnkowa I02I elektrolit stałotlenkowy

• Autorzy: Dudek M. , Raźniak A. , Lis B. , Rapacz-Kmita A. , Gajek M. , Ziąbka M. , Śliwa K. , Adamczyk B.

Warianty tytułu

EN

Analysis of electrochemical oxygen reduction phenomena in a phase boundry between the point oxide kathode and I02I solid oxide electrolyte

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono wybrane wyniki badań elektrochemicznych procesu redukcji tlenu w układach O2│LSM│20GDC, O2│LSCF│20GDC i O2│LSM│8YSZ, O2│LSCF│8YSZ, gdzie 8YSZ - 8% mol. Y2O3 w ZrO2, 20GDC - Ce0,8Gd0,2O1,9, LSM - (La0,80Sr0,20)0,95MnO3-δ, LSCF - (La0,60Sr0,40)0,95Co0,20Fe0,80O3-δ. W badaniach chronoamperometrycznych oraz przeprowadzonych metodą elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej użyto elektrod wykonanych w kształcie piramidy z katod LSM, LSCF. Pomiary wykonano w temperaturze 700 °C w powietrzu. Na podstawie zarejestrowanych zależności prąd(I)-czas(t) podczas katodowej polaryzacji nadnapięciem \DeltaE = -0,5 V dla wszystkich badanych układów stwierdzono wzrost wielkości prądu pod wpływem polaryzacji katodowej. Obserwacje obszaru bezpośredniego kontaktu stożkowej elektrody LSCF lub LSM z powierzchnią elektrolitu 20GDC wskazują na pojawiające się trwałej zmiany struktury powierzchni elektrolitu ceramicznego, powstające wyłącznie podczas pracy układu pod obciążeniem. Jakościowe porównanie widm impedancyjnych układów O2│LSM│20GDC, O2│LSCF│20GDC i O2│LSM│8YSZ, O2│LSCF│8YSZ, otrzymanych dla katod niespolaryzowanych (\DeltaE = 0 V) oraz spolaryzowanych (\DeltaE = -0,5 V) wskazuje na zmniejszanie się oporności omowej Rs oraz polaryzacyjnej Rp w wyniku pracy układu pod obciążeniem. Na podstawie badań elektrochemicznych wykonanych dla układu O2│LSCF│20GDC z użyciem stożkowych czy porowatych katod LSCF w analogicznych warunkach pomiarowych, stwierdzono w obu przypadkach wzrost natężenia prądu w czasie. Otrzymane wyniki wskazują na potencjalne możliwości wykorzystania opracowywanej metodyki badań z ceramicznymi elektrodami punktowymi jako uzupełniającej do klasycznej metody z elektrodami porowatymi. Analiza zjawisk, zachodzących na granicy faz O2│katoda│ceramiczny elektrolit tlenkowy, jest łatwiejsza niż w przypadku elektrod porowatych, ze względu na zredukowany obszar zachodzenia reakcji elektrochemicznej.

EN

The paper presents the results of electrochemical studies on oxygen reduction in the O2│LSM│20GDC, O2│LSCF│20GDC, and O2│LSM│8YSZ, O2│LSCF│8YSZ systems, where 8YSZ- 8 mol% Y2O3 w ZrO2, 20GDC - Ce0.8Gd0.2O1.9, LSM - (La0.80Sr0.20)0.95MnO3-δ, LSCF - (La0.60Sr0.40)0.95Co0.20Fe0.80O3-δ. In electromechanical impedance spectroscopy, electrodes made of LSM, LSCF cathodes were used in chronoamperometric and electrochemical impedance spectroscopy. Measurements were made at 700 °C in air. On the basis of the registered current (I)–time (t) dependencies, during the cathode polarisation with \DeltaE = -0.5 V overvoltage, an increase of the cathodic polarisation current was observed for all tested systems. Observations of the area of "the direct contact of the conical LSCF or LSM electrode" with the surface of the 20GDC electrolyte indicate permanent changes in the structure of the electrolyte ceramic surface arising only during the operation of the system under load. A qualitative comparison of impedance spectra O2│LSM│20GDC, O2│LSCF│20GDC, and O2│LSM│8YSZ, O2│LSCF│8YSZ obtained for non-polarised cathodes (\DeltaE = 0 V) and polarized ones (\DeltaE = -0.5 V) indicates a decrease of the Ohmic resistance Rs and polarisation resistance Rp as a result of the operation of the system under load. Based on the electrochemical tests performed for O2│LSCF│20GDC system using conical or porous LSCF cathodes under analogous measurement conditions, an increase in current over time was found in both cases. The results show the potential for using the developed research methodology with ceramic point electrodes as a supplement to the classical porous electrode method. Analysis of phenomena occurring at the O2│cathode│ceramic oxide electrolyte phase boundary is easier than in the case of porous electrodes because of the reduced area of the electrochemical reaction.

Słowa kluczowe

PL

materiał katodowy; redukcja tlenu; stałotlenkowe ogniwo paliwowe; chronoamperometria

EN

cathode material; Oxygen reduction; solid oxide fuel cell; chronoamperometry

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 69, nr 2
• Strony: 107--114
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Dudek M.

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

autor

Raźniak A.

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

autor

Lis B.

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

autor

Rapacz-Kmita A.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Gajek M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Ziąbka M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Śliwa K.

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

autor

Adamczyk B.

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

Bibliografia

• [1] Fergus, J. W., Hui, R., Li, X., Wilkinson, D., Zhang, J.: Solid Oxide Fuel Cells Materials Properties and Performance, CRC Press, USA (2009).
• [2] Liu, R. S., Zhang, L., Sun, X., Liu, H., Zhang, J.: Electrochemical Technologies for Energy Storage and Conversion, Wiley-VCH, (2012).
• [3] Herzog, G., Chan, S. H., Li, G., Ho, H. K., Li, J., Feng, Z.: A review of integration strategies for solid oxide fuel cells, J. Power Sources, 195, (2010), 685.
• [4] Mahato, N., Banerjee, A., Gupta, A., Omar, S., Balani, K.: Progress in material selection for solid oxide fuel cell technology: A review, Prog. Mater Sci., 72, (2015), 141.
• [5] Baumann, F. S., Fleig, J., Habermeier, H. U., Maier, J.: Impedance spectroscopic study on well-defined (La,Sr)(Co,Fe)O3−δ model electrodes, Solid State Ionics, 177, (2006), 1071.
• [6] Fleig, J.: On the width of the electrochemically active region in mixed conducting solid oxide fuel cell cathodes, J. Power Sources, 105, (2002), 228.
• [7] Baumann, F. S., Fleig, J., Konuma, M., Starke, U., Habermeier, H-U., Maier, J.: Strong Performance Improvement of La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3−δ SOFC Cathodes by Electrochemical Activation, J. Electrochem. Soc., 152, (2005), A2074.
• [8] 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.
• [9] Raźniak, A., Tomczyk, P.: Application of microelectrodes for investigation of the oxygen electrode reaction in selected solid electrolytes, Mater. Sci. Pol., 26, (2008), 195.
• [10] Raźniak, A., Dudek, M., Tomczyk, P.: Reduction of oxygen at the interface M|solid oxide electrolyte (M = Pt, Ag and Au, solid oxide electrolyte = YSZ and GDC). Autocatalysis or artifact?, Catalysis Today, 176, (2011), 41.
• [11] Dudek, M., Lis, B., Raźniak, A., Zych, Ł., Rapacz-Kmita, A., Gajek, M., Socha, R. P., Mosiałek, M., Reben, M.: Comparative studies of the electrochemical behaviour of Me|Ba0.95Ca0.05Ce0.9Y0.1O3, Me|Ce0.8Gd0.2O1.9, and Me|Zr0.84Y0.16O1.9 systems caused by long-term cathode polarization, where Me = Ag, Au quasi-point electrodes, Mater. Eng., 216, (2017), 58.
• [12] Banerjee, A., Deutschmann, O.: Elementary kinetics of the oxygen reduction reaction on LSM-YSZ composite cathodes, J. Catal., 346, (2017), 30.
• [13] Bertei, A., Carpanese, M. P., Clematis, D., Barbucci, A., Bazant, M. Z., Nicolella, C.: Understanding the electrochemical behaviour of LSM-based SOFC cathodes. Part II - Mechanistic modelling and physically-based interpretation, Solid State Ionics, 303, (2017), 181.
• [14] Liu, M., Ding, D., Blinn, K., Li, X., Nie, L., Liu, M.: Enhanced performance of LSCF cathode through surface modification, Int. J. Hydrogen Energy, 37, (2012), 8613.
• [15] Shi, H., Yang, G., Liu, Z., Zhang, G., Ran, R., Shao, Z., Zhou, W., Jin, W.: High performance tubular solid oxide fuel cells with BSCF cathode, Int. J. Hydrogen Energy, 37, (2012), 13022.
• [16] Cai G., Gu Y., Ge L., Zhang Y., Chen H., Guo L.: Modification of electrolyte surface with “windows” and “dimples array” structure for SOFC based on YSZ electrolyte, Ceram. Int., 43, (2017), 8944.
• [17] Medisetti, S., Ahn, J., Patil, S., Goel, A., Bangaru, Y., Sabhahit, G. V., Babu, G. U. B., Lee, J-H., Dasari, H. P.: Synthesis of GDC electrolyte material for IT-SOFCs using glucose & fructose and its characterization, Nano-Struct. Nano-Obj., 11, (2017), 7.
• [18] Zając, W., Świerczek, W., Molenda, J.: Thermochemical compatibility between selected (La,Sr)(Co,Fe,Ni)O3 cathodes and rare earth doped ceria electrolytes, J. Power Sources, 173, (2007), 675.
• [19] Brugnoni, C., Ducati, U., Scagliotti, M.: SOFC cathode/electrolyte interface. Part I: Reactivity between La0.85Sr0.15MnO3 and ZrO2-Y2O3, Solid State Ionics, 76, (1995), 177.
• [20] Lee H. Y., Oh S. M.: Origin of cathodic degradation and new phase formation at the La0.9Sr0.1MnO3|YSZ interface, Solid State Ionics, 90, (1996), 133.
• [21] Jacobsen, T., Zachau-Christiansen, B., Bay, L., Jørgensen, M. J.: Hysteresis in the solid oxide fuel cell cathode reaction, Electrochem. Acta, 46, (2001), 1019.
• [22] Mosiałek, M., Bielańska, E., Socha, R. P., Dudek, M., Mordarski, G., Nowak, P., Barbasz, J., Rapacz-Kmita A.: Changes in the morphology and the composition of the Ag|YSZ and Ag|LSM interfaces caused by polarization, Solid State Ionics, 225, (2012), 755.
• [23] Nielsen, J., Jacobsen, T.: Three-phase-boundary dynamics at Pt/YSZ microelectrodes, Solid State Ionics, 178, (2007), 1001.
• [24] Alzahran, I. A., Dincer, I., Li X.: A performance assessment study on solid oxide fuel cells for reduced operating temperatures, Int. J. Hydrogen Energy, 24, (2015), 7791.
• [25] Ivers-Tiffee, E., Weber, A., Schmid, K., Krebs, V.: Macroscale modeling of cathode formation in SOFC, Solid State Ionics, 174, (2004), 223.
• [26] Jiang, S. P., Love, J. G.: Origin of the initial polarization behavior of Sr-doped LaMnO3 for O2 reduction in solid oxide fuel cells, Solid State Ionics, 138, (2001), 183.
• [27] Bay, L., Jacobsen, T.: Dynamics of the YSZ-Pt interface, Solid State Ionics, 93, (1997), 201.
• [28] Dudek, M., Bogusz, W., Zych, Ł., Trybalska, B.: Electrical and mechanical properties of CeO2-based electrolytes in the CeO2–Sm2O3–M2O3 (M = La ,Y) system, Solid State Ionics, 179, (2008), 164.
• [29] Dudek, M., Mosiałek M.: Utility of Ce0.8M0.2O1.9, Ce0.8M0.15Y0.05O1.9, M = Gd, Sm powders synthesized by aerosol decomposition method in solid oxide fuel cell technology, Electrochemica Acta, 104, (2013), 339.
• [30] Endler-Schuck, C., Joos, J., Niedrig, C., Weber, A., Ivers-Tiffee, E.: The chemical oxygen surface exchange and bulk diffusion coefficient determined by impedance spectroscopy of porous La0.58Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−δ (LSCF) cathodes, Solid State Ionics, 269, (2015), 67.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).