Badania stabilności chemicznej kompozytowego elektrolitu 3-YSZ-Al2O3 w stosunku do materiałów elektrodowych do zastosowania w średniotemperaturowych ogniwach paliwowych

• Autorzy: Molin S. , Bobruk M. , Wyrwa J. , Pleśniak J. , Brylewski T.

Warianty tytułu

EN

Chemical stability of a 3-YSZ-Al2O3 electrolyte in relation to electrode materials for use in the intermediate-temperature solid oxide fuel cells

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Jednym z podstawowych wymogów stawianych materiałom na elektrolity do średniotemperaturowych ogniw paliwowych IT-SOFC (ang. intermediate-temperature solid oxide fuel cells) jest ich kompatybilność chemiczna z elektrodami w temperaturach zarówno eksploatacji, jak i wytwarzania ogniw. W celu sprawdzenia, czy badany w pracy kompozytowy elektrolit o osnowie z częściowo stabilizowanego ditlenku cyrkonu i z wtrąceniami tlenku glinu w ilości 1% mol. (3-YSZ-Al2O3) może zostać zastosowany w celu zapewnienia odpowiedniej sprawności ogniw IT-SOFC przez długi okres eksploatacji, przeprowadzono analizę jego stabilności chemicznej w stosunku do materiału katody La0,6Sr0,4Co0,2Fe0,8O3 (LSCF48) oraz w stosunku do NiO, stanowiącego główny składnik materiału anody. Po wygrzewaniu mieszaniny elektrolitu i katody w proporcji wagowej 1:1 w 1273 K przez 5 i 100 godz., stwierdzono obecność nowych faz, które mogą wpływać na pogorszenie właściwości elektrochemicznych złącza elektrolit/katoda. W warunkach przewidywanej pracy ogniwa, tj. w temperaturze 1073 K elektrolit wykazuje zdecydowanie wyższą stabilność chemiczną w kontakcie z anodą aniżeli w kontakcie z katodą, która wynika z ograniczonej wzajemnej dyfuzji kationów w układzie 3-YSZ-Al2O3/NiO.

EN

One of the main features required of materials to be applied as electrolytes in intermediate-temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs) is their chemical compatibility with electrodes at both operating temperatures and the temperatures at which the cells are manufactured. To verify whether the investigated composite electrolyte with a matrix consisting of partially stabilized zirconia and alumina inclusions of 1 mol% (3-YSZ-Al2O3) can be applied to ensure a sufficiently high long-term operating efficiency of IT-SOFCs, its chemical stability was analyzed via exposure to the La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3 (LSCF48) cathode material and NiO, which constitutes the main component of the anode material. After annealing the mixture consisting of the electrolyte and the cathode material at a mass ratio of 1:1 for 5 and 100 hours at 1273 K, the presence of new phases that might affect the electrochemical properties of the electrolyte/cathode junction was observed. Under the anticipated operating conditions of the cell, i.e. at 1073 K, the electrolyte exhibits significantly higher chemical stability in contact with the anode material than when exposed to the cathode one, which can be attributed to the reduced interdiffusion of cations in the 3-YSZ-Al2O3/NiO system.

Słowa kluczowe

PL

IT-SOFC; elektrolit; katoda; anoda; stabilność chemiczna

EN

IT-SOFC; electrolyte; cathode; anode; chemical stability

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 70, nr 1
• Strony: 50--64
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Molin S.

• Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki, Politechnika Gdańska, ul. G. Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk ; Department of Energy Conversion and Storage, Technical University of Denmark, Frederiksborgvej 399, 4000 Roskilde, Dania

autor

Bobruk M.

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

autor

Wyrwa J.

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

autor

Pleśniak J.

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

autor

Brylewski T.

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

Bibliografia

• [1] Brylewski, T.: Metaliczne interkonektory w układzie metal/ceramika do zastosowania w ogniwach paliwowych SOFC, Ceramika/Ceramics, 107, Wyd. Polskie Towarzystwo Ceramiczne, Kraków 2008.
• [2] Piela, P., Czerwiński, A.: Przegląd technologii ogniw paliwowych. Typy ogniw paliwowych, Biuletyn Polskiego Stowarzyszenia Wodoru i Ogniw Paliwowych, 3, (2008), 21-30.
• [3] Molenda, J.: Wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe typu SOFC, Biuletyn Polskiego Stowarzyszenia Wodoru i Ogniw Paliwowych, 2, (2007), 49-57.
• [4] Obal, K., Pędzich, Z., Brylewski, T., Rękas, M.: Modyfication of yttria-doped tetragonal zirconia polycrystal ceramics, Int. J. Electrochem. Sci., 7, (2012), 6831-6845.
• [5] Obal, K., Brylewski, T., Pędzich, Z., Rękas, M.: Modyfikacja tetragonalnej odmiany cyrkonii stabilizowanej tlenkiem itru z przeznaczeniem na elektrolity do ogniw paliwowych typu IT-SOFC, Mater. Ceram. /Ceram. Mater./, 65, (2013), 352-360.
• [6] Badwal, S. P. S., Drennan, J.: Grain boundary resistivity in Y-TZP materials as function of thermal history, J. Mater. Sci., 24, (1989), 88-96.
• [7] Badwal, S. P. S., Swain, M. V.: Electrical conductivity of some fully and partially stabilized single grains, J. Mater. Sci. Lett., 4, (1985), 487-489.
• [8] Bonanos, N., Slotwinski, R. K., Steele, B. C. H., Butler, E. P.: High ionic conductivity in polycrystalline tetragonal Y2O3-ZrO2, J. Mater. Sci. Lett., 3, (1984), 245-248.
• [9] Obal, K., Brylewski, T., Adamczyk, A., Kruk, A., Pędzich, Z., Rękas, M.: Reaktywność chemiczna kompozytowego elektrolitu stałego 3Y-TZP/Al2O3 z materiałem katodowym LSCF48 w kontekście możliwości ich wykorzystania do ogniw paliwowych IT-SOFC, Mater. Ceram. /Ceram. Mater./, 66, (2014), 212-217.
• [10] Stochniol, G., Syskakis, E., Naoumidis, A.: Chemical compatiblity between strontium-doped lanthanum manganite and yttria-stabilized zirconia, J. Am. Ceram. Soc., 78, (1995), 929-932.
• [11] Wiik, K., Schmidt, C. R., Faaland, S., Schamsili, S.,Einarsud, M., Grande, T.: Reactions between strontium-substitued lanthanum manganite and yttria-stabilized zirconia: I, Powder samples, J. Am. Ceram. Soc., 82, (1999), 721-728.
• [12] Kendall, K.: High-temperature Solid Oxide Fuel Cells for the 21st Century. Fundamentals, Design and Applications, Introduction to SOFCs, Elsevier, 2016.
• [13] Mitsuyasu, H., Eguchi, K., Arai, H.: Microscopic analysis of lanthanum strontium manganite yttria-stabilized zirconia interface, Solid State Ionics, 100, (1997), 11-15.
• [14] Poulsen, F. W., van der Puil, N.: Phase relations and conductivity of Sr- and La-zirconates, Solid State Ionics, 53-56, (1992), 777-783.
• [15] Drozdz-Ciesla, E., Wyrwa, J., Pyda, W., Rekas, M.: A new method of preparing Ni/YSZ cermet material, J. Mater. Sci., 47, (2012), 2807-2817.
• [16] Azaroff, L. V.: Elements of X-Ray Crystallography, McGraw-Hill, New York, 1995.
• [17] Linderoth, S., Bonanos, N., Jensen, K. V., Bilde-Sørensen, J. B.: Effect of NiO-to-Ni transformation on conductivity and structure of yttria-stabilized ZrO2, J. Am. Ceram. Soc., 84, (2001), 2652-2656

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).