Domieszkowany ditlenek ceru jako elektrolit dla ogniw paliwowych typu SOFC

Abstract

Rare earth oxides doped cerium dioxide is a promising electrolyte material for Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) working in $600 – 800^{\circ}C$ temperature range, especially when compared with doped $ZrO_{2}$ - currently used electrolyte material. The aim of this work was to find the best chemical composition and synthesis procedure of solid electrolytes for Solid Oxide Fuel Cells. The thesis is focused on $CeO_{2}$ doped with $Y_{2}O_{3}, Nd_{2}O_{3}, Sm_{2}O_{3}, Gd_{2}O_{3}$ oraz $Dy_{2}O_{3}$. The effects of amount and type of a dopant on structural and transport properties have been evaluated as well as reducibility, thermal expansion and chemical stability of electrolyte material in contact with anode and cathode materials. It has been determined if complex compositions of dopants have synergetic or additive effect on transport properties. Moreover, the influence of addition of small amount of transition metal oxides ($Cr_{2}O_{3}, Fe_{2}O_{3}, NiO$ and $CuO$ into ceria-based electrolytes on sinterability, structural and transport properties was appraised. Selected electrolyte materials were used for construction of a fuel cell assembly. Crucial parameters of the cell: open circuit voltage, voltage - current and power - current characteristics, polarization losses and their dependence on temperature were measured. The obtained results confirmed applicability of the prepared materials as electrolytes for Solid Oxide Fuel Cells working in $600 – 800^{\circ}C$ temperature range. Especially material with composition of $Ce_{0,85}Gd_{0,15}O_{1,925}$ modified by the addition of $0,5% mol. NiO$ seems to be promising for application. Ditlenek ceru domieszkowany tlenkami ziem rzadkich stanowi obiecujący materiał elektrolitowy dla stałotlenkowych ogniw paliwowych SOFC {Solid Oxide Fuel Cell) pracujących w zakresie umiarkowanych temperatur $600 – 800^{\circ}C$, w szczególności w porównaniu z obecnie stosowanym elektrolitem opartym na domieszkowanym $ZrO_{2}$. Celem niniejszej pracy było opracowanie optymalnego składu chemicznego i procedury otrzymywania elektrolitu stałego dla stałotlenkowych ogniw paliwowych. W pracy skupiono się na materiałach na bazie $CeO_{3}$ domieszkowanego tlenkami ziem rzadkich: $Y_{2}O_{3}, Nd_{2}O_{3}, Sm_{2}O_{3}, Gd_{2}O_{3}$ oraz $Dy_{2}O_{3}$. Prowadzono badania w celu określenia wpływu zawartości domieszki oraz jej rodzaju na właściwości strukturalne, transportowe, podatność na redukcję w atmosferach beztlenowych, rozszerzalność cieplną i stabilność chemiczną elektrolitu w kontakcie z materiałem anodowym i katodowym. Podjęto próbę określenia, czy połączenie różnych domieszek wpływa na właściwości transportowe synergicznie, czy addytywnie. Ponadto zbadano wpływ dodatku niewielkich ilości tlenków metali przejściowych: $Cr_{2}O_{3}, Fe_{2}O_{3}, NiO$ i $CuO$ na spiekalność, właściwości strukturalne i transportowe materiałów na bazie $CeO_{2}$. Wybrane materiały elektrolitowe wykorzystano do konstrukcji ogniw paliwowych, na których przeprowadzono testy właściwości użytkowych: napięcia ogniwa nieobciążonego, zależności prąd - napięcie, strat polaryzacyjnych oraz ich zależności od temperatury. Uzyskane wyniki potwierdziły przydatność opracowanych materiałów, jako materiałów elektrolitowych dla ogniw SOFC pracujących w zakresie temperatur $600 – 800^{\circ}C$. W szczególności elektrolit o składzie $Ce_{0,85}Gd_{0,15}O_{1,925}$ modyfikowany przez dodatek $0,5% mol. NiO$ wydaje się obiecujący dla zastosowań użytkowych.