Functional oxygen electrodes for Solid Oxide Cells based on Cu-containing perovskite-type oxides

Abstract

Rozprawa dotyczy badań i rozwoju funkcjonalnych elektrod tlenowych dla ogniw stałotlenkowych typu SOC opartych o materiały typu perowskitu, w których kosztowny i toksyczny Co został częściowo lub całkowicie zastąpiony Cu. Możliwość takiego domieszkowania analizowano dla zakresu temperatur pośrednich (IT). W teorii omówiono zasoby energetyczne i dotychczasowe przemiany energetyczne, rolę energii elektrycznej we współczesnym społeczeństwie oraz pojawienie się wodoru jako nowego nośnika energii. Ogniwa paliwowe zostały zaprezentowane ze szczególnym uwzględnieniem ogniw SOC i elektrod tlenowych. Zaproponowano i zbadano trzy grupy potencjalnych materiałów na elektrody tlenowe do zastosowań w IT-SOC: niezawierające Co $La_{1,5}Ba_{1,5}Cu_{3}O_{7±δ}$, domieszkowane Cu $GdBa_{0.5}Sr_{0.5}C0_{2- x}Cu_{x}O_{5+δ}$ i wieloskładnikowe $La_{0.6}Sr_{0.4}Ni_{0.15}Mn_{0.15}Fe_{0.15}Cu_{x}Co_{0.55-x}O_{3-δ}$. Dane eksperymentalne obejmują charakterystykę właściwości fizykochemicznych (struktura, zawartość tlenu, właściwości termomechaniczne, przewodność elektryczna, stabilność chemiczna) i wyników elektrochemicznych przygotowanych ogniw (opór polaryzacyjny, moc wyjściowa). Główny wynik można podsumować, że rozwój funkcjonalnych elektrod tlenowych można skutecznie zrealizować przy użyciu nowych, zaproponowanych i zoptymalizowanych materiałów. This dissertation concerns studies and development of the functional oxygen electrodes for Solid Oxide Cells (SOCs) based on perovskite-type materials, in which expensive and toxic Co was either partially or fully replaced by Cu. The feasibility of such doping is analyzed for the intermediate temperature (IT) range of application. The energy resources and the previous energy transitions, role of the electricity in the current society, and emergence of hydrogen as a new energy carrier are discussed in theory. Fuel cells are presented with a special emphasis on SOCs and oxygen electrodes. Three groups of candidate oxygen electrode materials for IT-SOCs are proposed and studied: Co-free $La_{1,5}Ba_{1,5}Cu_{3}O_{7±δ}$, Cu- doped $GdBa_{0.5}Sr_{0.5}C0_{2- x}Cu_{x}O_{5+δ}$, and multicomponent $La_{0.6}Sr_{0.4}Ni_{0.15}Mn_{0.15}Fe_{0.15}Cu_{x}Co_{0.55-x}O_{3-δ}$. Experimental data cover characterization of the physicochemical properties (structure, oxygen content, thermomechanical prosperities, electrical conductivity, chemical stability) and electrochemical results for the prepared cells (polarization resistance, power output). The main outcome can be summarized that the development of the functional oxygen electrodes can be effectively realized with the usage of novel, proposed and optimized materials.