Розробка безкобальтового оксидного (Sm0.5Sr0.5Fe0.8Cr0.2O3-δ) катода для середньотемпературних твердооксидних паливних елементів (СТ-ТОПЕ)

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.217282

Ключові слова:

твердооксидні паливні елементи, безкобальтовий катод, перовскітна структура, вміст кисню, провідність

Анотація

Безкобальтовий перовскітний оксид Sm0.5Sr0.5Fe0.8Cr0.2O3-δ (SSFC) використовувався в якості нового катода для середньотемпературних твердооксидних паливних елементів (СТ-ТОПЕ). Катодна модель була синтезована з додаванням елемента хрому на стороні Б композитної металоксидної системи, яка потім була сформована методом твердотільної реакції. Модельна система була детально охарактеризована для визначення поведінки властивостей. Твердотільна реакція системи SSFC спостерігалася за допомогою термогравіметричного аналізу. Тим часом структурні властивості досліджували методом рентгенівської дифракції, втрату ваги – за допомогою термогравіметричного аналізу. Крім того, коефіцієнт теплового розширення визначали за допомогою термомеханічного аналізу, а властивості провідності перевірялися за допомогою аналізу теплопровідності. Результат показав, що катод SSFC демонструє кристалічну структуру, засновану на конструкції з перовскітною фазою. Вміст кисню на модельній структурі після процесу прожарювання становив 2,98. Середній коефіцієнт теплового розширення при нагріванні до 800 °С досягав 5.0×10-6 K-1. При цьому значення провідності досягало 2 См∙см-1 при 400 °С і збільшувалося до максимуму в 7.5 См∙см-1 при 700 °С. Крім того, наявність катіонної валентності Cr6+, координованої з аніоном кисню, може привести до утворення великої концентрації кисневих вакансій на поверхні катода, полегшуючи перенесення аніону O2−в катодній системі. Виходячи з цих результатів, катод SSFC володіє хорошими властивостями в якості композитної системи, перспективної для застосування СТ-ТОПЕ в майбутньому

Біографії авторів

Iwan Susanto, Politeknik Negeri Jakarta Kukusan, Beji, Depok, Indonesia, 16425

Doctor of Materials Science and Engineering, Assistance Professor

Department of Mechanical Engineering

Dianta Mustofa Kamal, Politeknik Negeri Jakarta Kukusan, Beji, Depok, Indonesia, 16425

Doctor of Energy Conversion, Assistance Professor

Department of Mechanical Engineering

Sidiq Ruswanto, Politeknik Negeri Jakarta Kukusan, Beji, Depok, Indonesia, 16425

Master of Materials Science and Engineering

Department of Mechanical Engineering

Rahmat Subarkah, Politeknik Negeri Jakarta Kukusan, Beji, Depok, Indonesia, 16425

Master of Thermo Fluids Engineering, Assistance Professor

Department of Mechanical Engineering

Fuad Zainuri, Politeknik Negeri Jakarta Kukusan, Beji, Depok, Indonesia, 16425

Doctoral Candidate of Mechanical Engineering, Assistance Professor

Department of Mechanical Engineering

Sulaksana Permana, Universitas Indonesia Depok, Jawa Barat, Indonesia, 16424

Doctor of Engineering in Metallurgy and Materials

Centre of Mineral Processing and Corrosion Research

Department of Metallurgy and Materials

Johny Wahyuadi Soedarsono, Universitas Indonesia Depok, Jawa Barat, Indonesia, 16424

Doctor of Engineering, Professor

Centre of Mineral Processing and Corrosion Research

Department of Metallurgy and Materials

Adi Subardi, Institut Teknologi Nasional Yogyakarta Jl. Babarsari, Tambak Bayan, Caturtunggal, Kec. Depok, Kabupaten Sleman, Daerah Istimewa Yogyakarta, Indonesia, 55281

Doctor of Materials Science and Engineering, Assistance Professor

Department of Mechanical Engineering

Yen-Pei Fu, National Dong Hwa University Shoufeng Township, Hualien, Taiwan, 974301

Doctor of Materials, Professor

Department of Materials Science and Engineering

Посилання

  1. Wakui, T., Yokoyama, R., Shimizu, K. (2010). Suitable operational strategy for power interchange operation using multiple residential SOFC (solid oxide fuel cell) cogeneration systems. Energy, 35 (2), 740–750. doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2009.09.029
  2. Fernandes, A., Woudstra, T., van Wijk, A., Verhoef, L., Aravind, P. V. (2016). Fuel cell electric vehicle as a power plant and SOFC as a natural gas reformer: An exergy analysis of different system designs. Applied Energy, 173, 13–28. doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.03.107
  3. Naimaster, E. J., Sleiti, A. K. (2013). Potential of SOFC CHP systems for energy-efficient commercial buildings. Energy and Buildings, 61, 153–160. doi: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2012.09.045
  4. Song, X., Le, S., Zhu, X., Qin, L., Luo, Y., Li, Y. et. al. (2017). High performance BaFe1−xBixO3−δ as cobalt-free cathodes for intermediate temperature solid oxide fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 42 (24), 15808–15817. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.05.061
  5. Zhu, M., Cai, Z., Xia, T., Li, Q., Huo, L., Zhao, H. (2016). Cobalt-free perovskite BaFe0.85Cu0.15O3-δ cathode material for intermediate-temperature solid oxide fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 41 (8), 4784–4791. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.01.071
  6. Yao, C., Zhang, H., Liu, X., Meng, J., Meng, J., Meng, F. (2019). A niobium and tungsten co-doped SrFeO3- perovskite as cathode for intermediate temperature solid oxide fuel cells. Ceramics International, 45 (6), 7351–7358. doi: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.01.019
  7. Yang, H., Gu, Y., Zhang, Y., Zheng, Y., Zhang, Z., Ge, L. et. al. (2019). Sr-substituted SmBa0.75Ca0.25CoFeO5+ as a cathode for intermediate-temperature solid oxide fuel cells. Journal of Alloys and Compounds, 770, 616–624. doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.08.143
  8. Liu, H., Zhu, K., Liu, Y., Li, W., Cai, L., Zhu, X. et. al. (2018). Structure and electrochemical properties of cobalt-free perovskite cathode materials for intermediate-temperature solid oxide fuel cells. Electrochimica Acta, 279, 224–230. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.05.086
  9. Subardi, A., Chen, C.-C., Cheng, M.-H., Chang, W.-K., Fu, Y.-P. (2016). Electrical, thermal and electrochemical properties of SmBa1−xSrxCo2O5+δ cathode materials for intermediate-temperature solid oxide fuel cells. Electrochimica Acta, 204, 118–127. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.04.069
  10. Zhao, L., He, B., Zhang, X., Peng, R., Meng, G., Liu, X. (2010). Electrochemical performance of novel cobalt-free oxide Ba0.5Sr0.5Fe0.8Cu0.2O3−δ for solid oxide fuel cell cathode. Journal of Power Sources, 195 (7), 1859–1861. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2009.09.078
  11. Li, C.-H., Hu, S.-H., Tay, K.-W., Fu, Y.-P. (2012). Electrochemical characterization of gradient Sm0.5Sr0.5CoO3−δ cathodes on Ce0.8Sm0.2O1.9 electrolytes for solid oxide fuel cells. Ceramics International, 38 (2), 1557–1562. doi: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2011.09.041
  12. Javed, M. S., Shaheen, N., Idrees, A., Hu, C., Raza, R. (2017). Electrochemical investigations of cobalt-free perovskite cathode material for intermediate temperature solid oxide fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy, 42 (15), 10416–10422. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.02.045
  13. Ling, Y., Zhang, X., Wang, Z., Wang, S., Zhao, L., Liu, X., Lin, B. (2013). Potentiality of cobalt-free perovskite Ba0.5Sr0.5Fe0.9Mo0.1O3−δ as a single-phase cathode for intermediate-to-low-temperature solid oxide fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 38 (33), 14323–14328. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.08.089
  14. Subardi, A., Liao, K.-Y., Fu, Y.-P. (2019). Oxygen transport, thermal and electrochemical properties of NdBa0.5Sr0.5Co2O5+δ cathode for SOFCs. Journal of the European Ceramic Society, 39 (1), 30–40. doi: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.01.022
  15. Baharuddin, N. A., Muchtar, A., Somalu, M. R. (2017). Short review on cobalt-free cathodes for solid oxide fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 42 (14), 9149–9155. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.04.097
  16. Baharuddin, N. A., Muchtar, A., Somalu, M. R., Kalib, N. S., Raduwan, N. F. (2019). Synthesis and characterization of cobalt-free SrFe0·8Ti0·2O3-δ cathode powders synthesized through combustion method for solid oxide fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 44 (58), 30682–30691. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.11.142
  17. Meng, X., Lü, S., Yu, W. W., Ji, Y., Sui, Y., Wei, M. (2018). Layered perovskite LnBa0.5Sr0.5Cu2O5+δ (Ln = Pr and Nd) as cobalt-free cathode materials for solid oxide fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 43 (9), 4458–4470. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.01.033
  18. Ding, X., Gao, X., Zhu, W., Wang, J., Jiang, J. (2014). Electrode redox properties of Ba1−xLaxFeO3−δ as cobalt free cathode materials for intermediate-temperature SOFCs. International Journal of Hydrogen Energy, 39 (23), 12092–12100. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.06.009
  19. Yin, J.-W., Yin, Y.-M., Lu, J., Zhang, C., Minh, N. Q., Zhang, W., Ma, Z.-F. (2014). Nd 0.5 Sr 0.5 Fe 0.8 Cu 0.2 O 3−δ – x Sm 0.2 Ce 0.8 O 1.9 cobalt-free composite cathodes for intermediate temperature solid oxide fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 39 (31), 17852–17856. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.08.131
  20. He, Z., Xia, L., Chen, Y., Yu, J., Huang, X., Yu, Y. (2015). Layered perovskite Sm1−xLaxBaFe2O5+δ as cobalt-free cathodes for IT-SOFCs. RSC Advances, 5 (71), 57592–57598. doi: https://doi.org/10.1039/c5ra09762b
  21. Baharuddin, N. A., Mohd Nazrul Aman, N. A., Muchtar, A., Somalu, M. R., Abdul Samat, A., Aznam, M. I. (2019). Structural, morphological, and electrochemical behavior of titanium-doped SrFe1-xTixO3-δ (x = 0.1–0.5) perovskite as a cobalt-free solid oxide fuel cell cathode. Ceramics International, 45 (10), 12903–12909. doi: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.03.216
  22. Cai, H., Zhang, L., Xu, J., Huang, J., Wei, X., Wang, L. et. al. (2019). Cobalt–free La0.5Sr0.5Fe0.9Mo0.1O3– electrode for symmetrical SOFC running on H2 and CO fuels. Electrochimica Acta, 320, 134642. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.134642
  23. Chen, M., Paulson, S., Kan, W. H., Thangadurai, V., Birss, V. (2015). Surface and bulk study of strontium-rich chromium ferrite oxide as a robust solid oxide fuel cell cathode. Journal of Materials Chemistry A, 3 (45), 22614–22626. doi: https://doi.org/10.1039/c5ta05815e
  24. Niu, Y., Lv, W., Chen, D., Han, J., He, W. (2019). A model study on correlation between microstructure-gas diffusion and Cr deposition in porous LSM/YSZ cathodes of solid oxide fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 44 (33), 18319–18329. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.05.115
  25. Parveen, I. M., Asvini, V., Saravanan, G., Ravichandran, K., Kalaiselvi, D. (2019). Deficiency of O2 molecules enhances ionic conductivity in Cr-doped O-Ce-O for solid oxide fuel cell applications. Ceramics International, 45 (10), 13127–13137. doi: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.03.247
  26. Lu, J., Yin, Y.-M., Yin, J., Li, J., Zhao, J., Ma, Z.-F. (2015). Role of Cu and Sr in Improving the Electrochemical Performance of Cobalt-Free Pr1-xSrxFe1-yCuyO3-δCathode for Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells. Journal of The Electrochemical Society, 163 (2), F44–F53. doi: https://doi.org/10.1149/2.0181602jes
  27. Zhang, C., Zhao, H. (2012). A novel cobalt-free cathode material for proton-conducting solid oxide fuel cells. Journal of Materials Chemistry, 22 (35), 18387. doi: https://doi.org/10.1039/c2jm32627b
  28. Yin, J.-W., Yin, Y.-M., Lu, J., Zhang, C., Minh, N. Q., Ma, Z.-F. (2014). Structure and Properties of Novel Cobalt-Free Oxides NdxSr1–xFe0.8Cu0.2O3−δ (0.3 ≤ x ≤ 0.7) as Cathodes of Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells. The Journal of Physical Chemistry C, 118 (25), 13357–13368. doi: https://doi.org/10.1021/jp500371w
  29. Yin, S., Li, M., Zeng, Y., Li, C., Chen, X., Ye, Z. (2014). Study of Sm0.2Ce0.8O1.9 (SDC) electrolyte prepared by a simple modified solid-state method. Journal of Rare Earths, 32 (8), 767–771. doi: https://doi.org/10.1016/s1002-0721(14)60138-1
  30. Li, S., Lü, Z., Huang, X., Su, W. (2008). Thermal, electrical, and electrochemical properties of Nd-doped Ba0.5Sr0.5 Co0.8Fe0.2O3−δ as a cathode material for SOFC. Solid State Ionics, 178 (35-36), 1853–1858. doi: https://doi.org/10.1016/j.ssi.2007.11.016
  31. Chen, M., Paulson, S., Thangadurai, V., Birss, V. (2013). Sr-rich chromium ferrites as symmetrical solid oxide fuel cell electrodes. Journal of Power Sources, 236, 68–79. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.02.024

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-12-31

Як цитувати

Susanto, I., Kamal, D. M., Ruswanto, S., Subarkah, R., Zainuri, F., Permana, S., Soedarsono, J. W., Subardi, A., & Fu, Y.-P. (2020). Розробка безкобальтового оксидного (Sm0.5Sr0.5Fe0.8Cr0.2O3-δ) катода для середньотемпературних твердооксидних паливних елементів (СТ-ТОПЕ). Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(5 (108), 15–20. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.217282

Номер

Том 6 № 5 (108) (2020): Прикладна фізика

Розділ

Прикладна фізика

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Iwan Susanto, Dianta Mustofa Kamal, Sidiq Ruswanto, Rahmat Subarkah, Fuad Zainuri, Sulaksana Permana, Johny Wahyuadi Soedarsono, Adi Subardi, Yen-Pei Fu

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.