Reaktywność chemiczna kompozytowego elektrolitu stałego 3Y-TZP/Al2O3 z materiałem katodowym i anodowym w kontekście możliwości ich wykorzystania do ogniw paliwowych IT-SOFC

Abstract

Jednym z podstawowych wymogów stawianych materiałom na stałotlenkowe elektrolity do średniotemperaturowych ogniw paliwowych IT-SOFC (ang. Intermediate-Temperature Solid Oxide Fuel Cells) jest ich kompatybilność chemiczna do elektrod 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 0,5 i 1% mol. (3Y-TZP/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 1073 K elektrolit wykazuje wysoką stabilność chemiczną w kontakcie z materiałem zarówno katody jak i anody, wynikającą z ograniczonej wzajemnej dyfuzji kationów w układach: 3Y-TZP/Al2O3-LSCF48 i 3Y-TZP/Al2O3-NiO. 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 0.5 and 1 mol% (3Y-TZP/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 electrolyte and cathode mixture for 5 and 100 hours at 1273 K and at a mass ratio of 1:1, the presence of new phases which might potentially affect the electrochemical properties of the electrolyte/cathode conjunction was observed. Under the anticipated operating conditions of the cell, i.e. at 1073 K, the electrolyte exhibits high chemical stability when exposed to both the cathode and the anode materials, which can be attributed to the reduced interdiffusion of cations in the 3Y-TZP/Al2O3-LSCF48 and 3Y-TZP/Al2O3-NiO systems.