Аналіз впливу іонної провідності електролітних матеріалів на продуктивність твердооксидних паливних елементів

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.227230

Ключові слова:

ТОПЕ, іонна провідність, електроліт, продуктивність, COMSOL Multiphysics, YSZ, GDC

Анотація

Тверді електроліти ТОПЕ відомі своєю іонною провідністю, яка збільшується з підвищенням робочої температури ТОПЕ. За допомогою чисельного моделювання в середовищі COMSOL Multiphysics був проведений аналіз вихідної потужності ТОПЕ з електролітами на основі стабілізованого оксидом ітрію діоксиду цирконію (YSZ) і літієвого карбонату натрію – гадоліній-легованого оксиду церію ({LiNa}2CO3-GDC) для визначення потенціалу цих електролітів при їхньому застосуванні в ТОПЕ. Іонна провідність YSZ була диференційована на основі молярного значення вмісту ітрію, а саме 8, 8,95, 10 і 11,54 моль. При цьому GDC варіювався між 7,8, 10, 16,8 і 30 % в залежності від вмісту (LiNa)2CO3. При використанні чисельної моделі похибка розрахунків становить в середньому 7,32 % і 6,89 % для експериментальних значень потужності і напруги. Встановлено, що в ТОПЕ з електролітом YSZ вихідна потужність може збільшитися в 26,4–35 разів при підвищенні робочої температури з 500 °C до 750 °C. ТОПЕ з 8YSZ може виробляти найбільшу потужність в порівнянні з іншими YSZ, яка становить 123 А/м2 при струмі 198 А/м2 при робочій температурі 500 °C і 3440 А/м2 при струмі 5549 А/м2 при робочій температурі 750 °C. Тоді як в ТОПЕ з електролітом GDC було виявлено, що вихідна потужність може збільшитися в 18,6–22,6 рази при підвищенні робочої температури з 500 °C до 750 °C. ТОПЕ з 30 % LiNa)2CO3-GDC виробив найбільшу потужність в порівнянні з іншими GDC, яка становить 231 А/м2 при струмі 444 А/м2 при робочій температурі 500 °C і 5240 А/м2 при струмі 10077 А/м2 при робочій температурі 750 °C. YSZ також показав можливість збільшення вихідної потужності при підвищенні температури ТОПЕ вище 750 °C, в той час як 30 % (LiNa)2CO3-GDC показує обмежене збільшення іонної провідності при 750 °C.

Біографії авторів

Mega Nur Sasongko, Brawijaya University

Doctorate in Mechanical Engineering

Department of Mechanical Engineering

Fahrizal Perdana, Brawijaya University

Master Student in Mechanical Engineering

Department of Mechanical Engineering

Widya Wijayanti, Brawijaya University

Associate Professor

Department of Mechanical Engineering

Посилання

  1. Mahato, N., Banerjee, A., Gupta, A., Omar, S., Balani, K. (2015). Progress in material selection for solid oxide fuel cell technology: A review. Progress in Materials Science, 72, 141–337. doi: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2015.01.001
  2. Stambouli, A. B., Traversa, E. (2002). Solid oxide fuel cells (SOFCs): a review of an environmentally clean and efficient source of energy. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 6 (5), 433–455. doi: https://doi.org/10.1016/s1364-0321(02)00014-x
  3. Xu, H., Chen, B., Tan, P., Xuan, J., Maroto-Valer, M. M., Farrusseng, D. et. al. (2019). Modeling of all-porous solid oxide fuel cells with a focus on the electrolyte porosity design. Applied Energy, 235, 602–611. doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.10.069
  4. Lyu, Y., Xie, J., Wang, D., Wang, J. (2020). Review of cell performance in solid oxide fuel cells. Journal of Materials Science, 55 (17), 7184–7207. doi: https://doi.org/10.1007/s10853-020-04497-7
  5. Hussain, S., Yangping, L. (2020). Review of solid oxide fuel cell materials: cathode, anode, and electrolyte. Energy Transitions, 4 (2), 113–126. doi: https://doi.org/10.1007/s41825-020-00029-8
  6. Mahato, N., Gupta, A., Balani, K. (2012). Doped zirconia and ceria-based electrolytes for solid oxide fuel cells: a review. Nanomaterials and Energy, 1 (1), 27–45. doi: https://doi.org/10.1680/nme.11.00004
  7. Goswami, N., Kant, R. (2019). Theory for impedance response of grain and grain boundary in solid state electrolyte. Journal of Electroanalytical Chemistry, 835, 227–238. doi: https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2019.01.035
  8. Brodnikovska, I., Korsunska, N., Khomenkova, L., Polishchuk, Y., Lavoryk, S., Brychevskyi, M. et. al. (2019). Grains, grain boundaries and total ionic conductivity of 10Sc1CeSZ and 8YSZ solid electrolytes affected by crystalline structure and dopant content. Materials Today: Proceedings, 6, 79–85. doi: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.10.078
  9. Ren, Y., Chen, K., Chen, R., Liu, T., Zhang, Y., Nan, C.-W. (2015). Oxide Electrolytes for Lithium Batteries. Journal of the American Ceramic Society, 98 (12), 3603–3623. doi: https://doi.org/10.1111/jace.13844
  10. Dokmaingam, P., Areesinpitak, S., Laosiripojana, N. (2017). Transient Modeling of Tubular-Designed IIR-SOFC Fueled by Methane, Methanol, and Ethanol. Engineering Journal, 21 (3), 235–249. doi: https://doi.org/10.4186/ej.2017.21.3.235
  11. Basu, S. (Ed.) (2007). Recent trends in fuel cell science and technology. Springer, 375. doi: https://doi.org/10.1007/978-0-387-68815-2
  12. Ge, L., Jiao, J., zhu, Z., Zhang, Q., Zheng, Y., Chen, H., Guo, L. (2019). A facile method to fabricate proton-conducting BaZr0·85Y0·15O3-δ electrolyte with a large grain size and high conductivity. Ceramics International, 45 (18), 24946–24952. doi: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.08.202
  13. Ahamer, C., Opitz, A. K., Rupp, G. M., Fleig, J. (2017). Revisiting the Temperature Dependent Ionic Conductivity of Yttria Stabilized Zirconia (YSZ). Journal of The Electrochemical Society, 164 (7), F790–F803. doi: https://doi.org/10.1149/2.0641707jes
  14. Khan, I., Tiwari, P. K., Basu, S. (2019). Development of melt infiltrated gadolinium doped ceria-carbonate composite electrolytes for intermediate temperature solid oxide fuel cells. Electrochimica Acta, 294, 1–10. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.10.030
  15. Lee, S., Kim, H., Yoon, K. J., Son, J.-W., Lee, J.-H., Kim, B.-K. et. al. (2016). The effect of fuel utilization on heat and mass transfer within solid oxide fuel cells examined by three-dimensional numerical simulations. International Journal of Heat and Mass Transfer, 97, 77–93. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.02.001
  16. Kaya, M. F., Demir, N., Genç, G., Yapici, H. (2014). Numerically Modeling of Anode Supported Tubular SOFC. Journal of Applied Mechanical Engineering, 3 (1). doi: https://doi.org/10.4172/2168-9873.1000137
  17. Nam, J. H., Jeon, D. H. (2006). A comprehensive micro-scale model for transport and reaction in intermediate temperature solid oxide fuel cells. Electrochimica Acta, 51 (17), 3446–3460. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2005.09.041
  18. Chinda, P., Chanchaona, S., Brault, P., Wechsatol, W. (2011). Mathematical Modeling of a Solid Oxide Fuel Cell with Nearly Spherical-Shaped Electrode Particles. HAL. Available at: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00581564/document
  19. Current Density Distribution in a Solid Oxide Fuel Cell. Available at: https://www.comsol.com/model/current-density-distribution-in-a-solid-oxide-fuel-cell-514
  20. Timurkutluk, B., Celik, S., Timurkutluk, C., Mat, M. D., Kaplan, Y. (2012). Novel electrolytes for solid oxide fuel cells with improved mechanical properties. International Journal of Hydrogen Energy, 37 (18), 13499–13509. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.06.103
  21. Ilbas, M., Kumuk, B. (2019). Numerical modelling of a cathode-supported solid oxide fuel cell (SOFC) in comparison with an electrolyte-supported model. Journal of the Energy Institute, 92 (3), 682–692. doi: https://doi.org/10.1016/j.joei.2018.03.004
  22. Saccà, A., Gatto, I., Carbone, A., Pedicini, R., Maisano, S., Stassi, A., Passalacqua, E. (2019). Influence of doping level in Yttria-Stabilised-Zirconia (YSZ) based-fillers as degradation inhibitors for proton exchange membranes fuel cells (PEMFCs) in drastic conditions. International Journal of Hydrogen Energy, 44 (59), 31445–31457. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.10.026
  23. Chockalingam, R., Basu, S. (2011). Impedance spectroscopy studies of Gd-CeO2-(LiNa)CO3 nano composite electrolytes for low temperature SOFC applications. International Journal of Hydrogen Energy, 36 (22), 14977–14983. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.03.165
  24. Venkataramana, K., Madhuri, C., Suresh Reddy, Y., Bhikshamaiah, G., Vishnuvardhan Reddy, C. (2017). Structural, electrical and thermal expansion studies of tri-doped ceria electrolyte materials for IT-SOFCs. Journal of Alloys and Compounds, 719, 97–107. doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.05.022

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-06-18

Як цитувати

Sasongko, M. N., Perdana, F., & Wijayanti, W. (2021). Аналіз впливу іонної провідності електролітних матеріалів на продуктивність твердооксидних паливних елементів. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3(6 (111), 41–52. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.227230

Номер

Том 3 № 6 (111) (2021): Технології органічних та неорганічних речовин

Розділ

Технології органічних та неорганічних речовин

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Mega Nur Sasongko, Fahrizal Perdana, Widya Wijayanti

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.