Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Supporting effect of silver on BSCF cathodes for SOFC

Kędra A., Mosiałek M., Krzan M., Tatko M., Zimowska M., Bielańska E., Czerlunczakiewicz E.

Materiały Ceramiczne

|

2016

|

T. 68, nr 1

70--75

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.

2

The effect of applied control strategy on the current-voltage correlation of a solid oxide fuel cell stack during dynamic operation

Szmyd J. S., Komatsu Y., Brus G., Ghigliazza F., Kimijima S., Ściążko A.

Archives of Thermodynamics

|

2014

|

Vol. 35, no. 3

129--143

EN

This paper discusses the transient characteristics of the planar type SOFC cell stack, of which the standard output is 300 W. The transient response of the voltage to the manipulation of an electric current was investigated. The effects of the response and of the operating condition determined by the operating temperature of the stack were studied by mapping a current-voltage (I-V) correlation. The current-based fuel control (CBFC) was adopted for keeping the fuel utilization factor at constant while the value of the electric current was ramped at the constant rate. The present experimental study shows that the transient characteristics of the cell voltage are determined by primarily the operating temperature caused by the manipulation of the current. Particularly, the slope of the I-V curve and the overshoot found on the voltage was remarkably influenced by the operating temperature. The different values of the fuel utilization factor influence the height of the settled voltages. The CBFC has significance in determining the slope of the I-V characteristic, but the different values of the fuel utilization factor does not affect the slope as the operating temperature does. The CBFC essentially does not alter the amplitude of the overshoot on the voltage response, since this is dominated by the operating temperature and its change is caused by manipulating the current.

3

Direct carbon fuel cells based on solid oxide electrolyte technology

Jewulski J., Skrzypkiewicz M.

Przegląd Elektrotechniczny

|

2013

|

R. 89, nr 7

268--270

EN

Direct carbon fuel cells (DCFC), developed intensively in the last decade, offer electric current generation with potentially much higher efficiency than currently achieved in coal-fired power plants. The existing planar solid oxide fuel cell technology is one of several possible fuel cell technology platforms enabling implementation of DCFC, fuelled with pulverised coal. The thermodynamic and electrochemical principles of DCSOFC technology are summarised in the paper. The current technology development status is reviewed and future potential of technology is discussed. Key research problems influencing the development of the technology in future were stated.

PL

Węglowe ogniwa paliwowe (DCFC), intensywnie rozwijane w ostatniej dekadzie, oferują generację energii elektrycznej z potencjalnie znacznie wyższą sprawnością niż obecnie uzyskiwana w elektrowniach węglowych. Istniejąca technologia elektrolitów stałotlenkowych jest jedną z platform technologicznych umożliwiających implementację koncepcji ogniw paliwowych zasilanych pyłem węglowym. W artykule podsumowano termodynamiczne i elektrochemiczne zasady działania technologii DC-SOFC. Dokonano przeglądu aktualnego stanu i potencjału rozwoju technologii. Wskazano kluczowe zagadnienia badawcze mające wpływ na jej rozwój w najbliższym czasie.

4

Symulacje systemu do wytwarzania energii zaopatrzonego w stałotlenkowe ogniwa paliwowe (SOFC) z użyciem programu Aspen Plus

Zakrzewska B., Jaworski Z.

Inżynieria i Aparatura Chemiczna

|

2013

|

Nr 6

583--585

PL

W pracy przedstawiono wyniki symulacji systemu procesowego do wytwarzania energii elektrycznej o mocy 100 W zaopatrzonego w stos stałotlenkowych ogniw paliwowych SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) zasilany metanem. Symulacje przeprowadzono z użyciem komercyjnego programu Aspen Plus. Analizowano wpływ reformingu parą wodną oraz reakcji katalitycznego spalania na finalne zużycie paliwa. Określono również wpływ natężenia przepływu powietrza na chłodzenie systemu.

EN

A 100 W power system based on a micro-tubular Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) stack was investigated. The commercially available Aspen Plus process simulator was chosen for modelling and parametric analysis of the system.The effects of reforming with water steam and of catalytic combus-tion on the final fuel consumption were analysed along with the influence of air flow rate on system cooling.

5

Some structural aspects of ionic conductivity in Co-doped ceria-based electrolytes

Dudek M.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2013

|

Vol. 58, iss. 4

1355--1359

EN

The sinters of co-doped ceria solid solutions with the formula of Ce_0.85Sm_0.15-xR_xO_1.9, where R = Y, Gd, Pr, Tb, 00.85Sm_0.15-xR_xO_1.9, where R = Y, Gd, Tb, 0 3+ to Pr⁴⁺ . The determined values of oxide transference number t_ion for Ce_0.85Sm_0.15-xR_xO_1.9, R = Y, Gd in the temperature range 400-750°C and partial oxygen pressure from 10^-6 to 1 atm were close to 1, which indicated that materials investigated exhibited practically pure ionic oxide conductivity. On the other hand, the introduction of Tb³⁺ or Pr³⁺ higher than x>0.05 into solid solution Ce_0.85Sm_0.15-xR_xO_1.9, R = Tb, Pr caused a decrease in the ionic transference number t_ion below 1 due to an increase in partial electronic conduction. This fact limiting investigated co-doped terbia and samaria or samaria and praseodymia ceria-based solid solutions for the further application as oxide electrolytes in solid oxide fuel cells. The analysis of bulk and grain boundary values indicated that partial substitution of Sm³⁺ by Y³⁺ or Gd³⁺ caused slight improvements in the ionic conductivity of Ce_0.85Sm_0.15-xR_xO_1.9. The highest ionic conductivity was found for solid solution with chemical composition Ce_0.85Sm_0.1Y_0,05O_1.9. The selected co-doped ceria samples were tested as solid electrolytes in solid oxide fuel cells operating in the intermediate temperature range 500-750°C.

PL

Spieki roztworów stałych tlenku ceru (IV) domieszkowanego dwoma kationami Ce_0.85Sm_0.15-xR_xO_1.9gdzie R = Y, Gd, Tb, Pr. zaś 0 0.85Sm_0.15-xR_xO_1.9. gdzie R = Y, Gd,Tb, zaś 0 0.85Sm_0.15-xPr_xO_1.9kationów Sm³⁺ kationami Pr³⁺ powoduje już odstępstwa od liniowych zmian wielkości stałej sieci a badanych materiałów. Przyczyną tego zjawiska jest prawdopodobna zmiana stopnia utlenienia kationów Pr⁴⁺ na Pr³⁺ w badanym roztworze stałym. Wyznaczone wielkości liczb przenoszenia jonów tlenkowych t_ion dla grupy spieków roztworów stałych Ce_0.85Sm_0.15-xR_xO_1.9, gdzie R = Y, Gd, gdzie 0 0.85Sm_0.15-xR_xO_1.9. R = Tb, Pr, gdzie x>0.05 stwierdzono spadek liczby przenoszenia jonów tlenkowych t_ion poniżej 1. Wzrost składowej przewodnictwa elektronowego w tych materiałach ogranicza ich potencjalne zastosowanie jako elektrolitów tlenkowych w stałotlenkowych ogniwach paliwowych. Spiek Ce_0.85Sm_0.1Y_0,05O_1.9 charakteryzuje się najwyższą przewodnością jonową z pośród badanych materiałów. Wybrane materiały na bazie tlenku ceru (IV) domieszkowanego dwoma kationami przetestowano jako elektrolity tlenkowe w stałotlenkowych ogniwach paliwowych pracujących w temperaturach 500-750°C.

6

Composite Ag-La0.8Sr0.2 MnO3-σ cathode for solid oxide fuel cells

Mosiałek M., Przybyła M., Tatko M., Nowak P., Dudek M., Zimowska M.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2013

|

Vol. 58, iss. 4

1337--1340

EN

Composite cathodes for solid oxide fuel cells composed of metallic silver dispersed in ceramic (Ag-La0.8 Sr0.2 MnO3-σ ) matrix were prepared on the surface of solid electrolyte by two-step procedure. First the matrix of controlled porosity was created by sintering mixture of Ag-La0.8 Sr0.2 MnO3-σ powder with the organic polymer beads then the matrix was saturated with AgNO3 solution and sintered again. Such obtained cathodes showed higher electrical conductivity and lower charge transfer resistance in oxygen reduction reaction in comparison to pure ceramic cathodes.

PL

Na powierzchni elektrolitu stałego wytwarzano kompozytowe katody dla stałotlenkowych ogniw paliwowych zbudowane z metalicznego srebra rozproszonego w osnowie z Ag-La0.8 Sr0.2 MnO3-σ .Osnowę o kontrolowanej porowatości otrzymywano przez prażenie mieszaniny proszku Ag-La0.8 Sr0.2 MnO3-σ z kulkami z tworzywa organicznego. Porowatą osnowę nasycano roztworem AgNO3 i ponownie wyprażano. Tak otrzymane katody wykazywały wyższą przewodność elektryczną i niższą oporność aktywacyjną w reakcji redukcji tlenu w porównaniu z katodami z czystej ceramiki.

7

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

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

Materiały Ceramiczne

|

2010

|

T. 62, nr 2

134-142

PL

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.

EN

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.