Оптимизация катодного слоя на основе BSCFM5 и изучение его влияния на мощностные характеристики микротрубчатых ТОТЭ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Среди всех типов твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) микротрубчатые (МТ) конструкции имеют повышенную стойкость к термоциклированию и высокую удельную мощность (от 300 до 1000 Вт/кг и выше). Одной из основных проблем в настоящее время является выбор материала, который будет использоваться в качестве катода, а также проблемы, связанные с его микроструктурой в самом катодном слое МТ ТОТЭ. Данная работа направлена на изучение мощностных характеристик МТ ТОТЭ при использовании BSCFM5 в качестве катодного материала.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. Ю. Лапушкина

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: elapushkina@solid.nsc.ru
Россия, Новосибирск

В. П. Сивцев

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН

Email: sivcev0811@gmail.com
Россия, Новосибирск

И. В. Ковалев

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН

Email: sivcev0811@gmail.com
Россия, Новосибирск

М. П. Попов

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН

Email: sivcev0811@gmail.com
Россия, Новосибирск

А. П. Немудрый

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН

Email: sivcev0811@gmail.com
Россия, Новосибирск

Список литературы

  1. Popov, M.P., Starkov, I.A., Bychkov, S.F., and Nemudry, A.P., Improvement of Ba0.5Sr0.5Co0.8 Fe0.2O3 – δ functional properties by partial substitution of cobalt with tungsten, J. Membr. Sci., 2014, vol. 469, p. 88.
  2. Teraoka, Y., Zhang, H.-M., and Yamazo, N., Oxygen – sorptive properties of defect perovskite-type La1 – x SrxCo1 – y Fey O3 – δ, Chem. Lett, 1985, vol. 14, p. 1367.
  3. Botea-Petcu, A., Tanasescu, S., Varazashvili, V., Lejava, N., Machaladze, T., Khundadze, M., Maxim, F., Teodorescu, F., Martynczuk, J., Yáng, Z., and Gauckler, J.L, Thermodynamic data of Ba0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3 – δ SOFC cathode material, Mater. Res. Bull., 2014, vol. 57, p. 184.
  4. Shao, Z.P., Yang, W.S., Cong, Y., Dong, H., Tong, J.H., and Xiong, G.X., Investigation of the permeation behavior and stability of a Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 – δ oxygen membrane, J. Membr. Sci., 2000, vol. 172, p. 177.
  5. Zhao, H.L., Shen, W., Zhu, Z.M., Li, X., and Wang, Z.F., Preparation and properties of BaxSr1 –x CoyFe1 – yO3 – δcathode material for intermediate temperature solid oxide fuel cells, J. Power Sources, 2008, vol. 182, p. 503.
  6. Zhou, W., Ran, R., and Shao, Z., Progress in understanding and development of Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 – δ – based cathodes for intermediate-temperature solid-oxide fuel cells: a review, J. Power Sources, 2009, vol. 192, p. 231.
  7. Chen, Z.H., Ran, R., Shao, Z.P., Yu, H., da Costa, C.D.J., and Liu, S.M., Further performance improvement of Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 – δ perovskite membranes for air separation, Ceram. Int., 2009, vol. 35, p. 2455.
  8. Shao, Z.P., Xiong, G.X., Tong, J.H., Dong, H., and Yang, W.S., Ba effect in doped Sr (Co0.8Fe0.2) O3 – δ on the phase structure and oxygen permeation properties of the dense ceramic membranes, Sep. Purif. Technol., 2001, vol. 25, p. 419.
  9. Vente, J.F., Haije, W.G., and Rak, Z.S., Performance of functional perovskite membranes for oxygen production, J. Membr. Sci., 2006, vol. 276, p. 178.
  10. Shao, Z.P. and Haile, S.M., A high-performance cathode for the next generation of solid-oxide fuel cells, Nature, 2004, vol. 431, p. 170.
  11. Shao, Z.P., Haile, S.M., Ahn, J., Ronney, P.D., Zhan, Z.L., and Barnett, S.A., A thermally self-sustained micro solid-oxide fuel-cell stack with high power density, Nature, 2005, vol. 435, p. 795.
  12. Zeng, P.Y., Chen, Z.H., Zhou, W., Gu, H.X., Shao, Z.P., and Liu, S.M., Re-evaluation of Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 – δperovskite as oxygen semi-permeable membrane, J. Membr. Sci., 2007, vol. 291, p. 148.
  13. Zhou, W., Ran, R., Shao, Z.P., Jin, W.Q., and Xu, N.P., Evaluation of A-site cation-deficient (Ba0.5Sr0.5)1 – xCo0.8Fe0.2O3 – δ (x > 0) perovskite as a solid-oxide fuel cell cathode, J. Power Sources, 2008, vol. 182, p. 24.
  14. Yang, Z., Harvey, A.S., Infortuna, A., and Gauckler, L.J., Phase relations in the Ba–Sr– Co–Fe–O system at 1273 K in air, J. Appl. Crystallogr., 2009, vol. 42, p. 153.
  15. Van Veen, A.C., Rebeilleau, M., Farrusseng, D., and Mirodatos, C., Studies on the performance stability of mixed conducting BSCFO membranes in medium temperature oxygen permeation, Chem. Commun., 2003, p. 32.
  16. Liang, F., Jiang, H., Luo, H., Caro, J., and Feldhoff, A., Phase stability and permeation behavior of a dead-end Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 – δ tube membrane in high-purity oxygen production, Chem. Mater., 2011, vol. 23, p. 4765.
  17. Svarcova, S., Wiik, K., Tolchard, J., Bouwmeester, H.J.M., and Grande, T., Structural instability of cubic perovskite BaxSr1 – xCo1 –y FeyO3 – δ, Solid State Ionics, 2008, vol. 178, p. 1787.
  18. Demont, A., Sayers, R., Tsiamtsouri, M.A., Romani, S., Chater, P.A., Niu, H., Marti- Gastaldo, C., Xu, Z., Deng, Z., Breard, Y., Thomas, M.F., Claridge, J.B., and Rosseinsky, M.J., Single Sublattice Endotaxial Phase Separation Driven by Charge Frustration in a Complex Oxide, J. Amer. Chem. Soc., 2013, vol. 135, p. 10114.
  19. Gasparyan, H., Claridge, J.B., and Rosseinsky, M.J., Oxygen permeation and stability of Mo-substituted BSCF membranes, J. Mater. Chem., 2015, vol. A 3, p. 18265.
  20. Artimonova, E.V., Savinskaya, O.A., and Nemudry, A.P., Effect of B-site tungsten doping on structure and oxygen permeation properties of SrCo0.8 Fe0.2O3 – δ perovskite membranes, Eur. J. Ceram. Soc., 2015, vol. 35, p. 2343.
  21. Kozhemyachenko, A.S. and Nemudry, A.P., Investigation of the functional characteristics of perovskites SrCo 0.8 – xFe 0.2NbxO 3 – δ, Chem. Sustain. Dev., 2010, vol. 18, p. 649.
  22. Nemudry, A. and Uvarov, N., Nano structuring in composites and grossly nonstoichiometric or heavily doped oxides, Solid State Ionics, 2006, vol. 177, p. 2491.
  23. Markov, A.A., Savinskaya, O.A., Patrakeev, M.V., Nemudry, A.P., Leonidov, I.A., Pavlyukhin, Yu.T., Ishchenko, A.V., and Kozhevnikov, V.L., Structural features, nonstoichiometry and high-temperature transport in SrFe1 – xMo xO3 – δ, J. Solid State Chem., 2009, vol. 182, p. 799.
  24. Savinskaya, O. and Nemudry, A.P., Oxygen transport properties of nanostructured SrFe1 – xMoxO2.5+3/2x (0
  25. Savinskaya, O.A., Nemudry, A.P., Nadeev, A.N., and Tsybulya, S.V., Synthesis and study of the thermal stability of SrFe1 – xMxO3 – z (M = Mo, W) perovskites, Solid State Ionics, 2008, vol. 179, p.1076.
  26. Markov, A.A., Patrakeev, M.V., Savinskaya, O.A., Nemudry, A.P., Leonidov, I.A., Leonidova, O.N., and Kozhevnikov, V.L., Oxygen nonstoichiometry and high-temperature transport in SrFe1 – xWxO3 – δ Solid State Ionics, 2008, vol. 179, р. 99.
  27. Shubnikova, E.V., Bragina, O.A., and Nemudry, A.P., Mixed conducting molybdenum doped BSCF materials, J. Ind. Eng. Chem., 2018, vol. 59, p. 242.
  28. Steel, B.C.H. & Heinzel, A., Materials for fuel-cell technologies, Nature, 2001, vol. 414, p. 345.
  29. Zhao, K., Kim, B.-H., Norton, M.G., and Ha, S.Y., Cathode Optimization for an Inert-Substrate-Supported Tubular Solid Oxide Fuel, Front. Energy Res. 2018, vol. 6:87, p. 1.
  30. Sun, C., Hui, R. & Roller, J., Cathode materials for solid oxide fuel cells: a review, J. Solid State Electrochem., 2010, vol. 14, p. 1125.
  31. Павздерин, Н.Б., Никонов, А.В. Структура активной части элементов твердооксидных устройств с плотным электродным текстурированным слоем (варианты). Пат. 2766871 С1 (Россия), 2022.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. СЭМ полуэлемента, состоящего из микротрубчатой анодной подложки с АФС, ЭС и БС.

Скачать (207KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Микроструктура МТ ТОТЭ и ВАХ с катодным слоем BSCFM5, 2 нанесения КТС, толщина катода 21 мкм (а), 6 нанесений КТС – 56 мкм (б).

Скачать (394KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Микроструктура МТ ТОТЭ с катодным слоем BSCFM5, 4 нанесения КФС: 4 нанесения КТС (а), 6 нанесений КТС (б), 8 нанесений КТС (в).

Скачать (491KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Графики ВАХ МТ ТОТЭ с катодом BSCFM: толщина катодного слоя 65 мкм при 4 слоях КТС (а), толщина катодного слоя 70 мкм при 6 слоях КТС (б), толщина катодного слоя 120 мкм при 8 слоях КТС (в).

Скачать (277KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024