Search papers

Article details

  • Materiały Ceramiczne/Ceramic Materials
  • Vol: 68, Issue: 1, 2016
  • pp: 70-75

download: article (EN)

Supporting effect of silver on BSCF cathodes for SOFC

Abstract (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.

Keywords (EN): Solid oxide fuel cell, Composite cathode, Barium strontium cobalt ferrite, Electrochemical impedance spectroscopy

Wspomagający efekt srebra w katodach BSCF stosowanych w SOFC

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

Abstract (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.

Keywords (PL): stałotlenkowe ogniwa paliwowe, katoda kompozytowa, tlenek mieszany baru strontu kobaltu i żelaza, elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna

return…