Cathodes for Solid Oxide Fuel Cells Operating at Low Temperatures

摘要

Denne afhandling omhandler udviklingen af nanostrukturerede lavtemperaturkatoder til keramiske brændselsceller. Katoderne er primært fremstillet ved brug af en infiltreringsmetode, hvor en eletrokatalysator infiltreres ind i en porøs, oxidionledende bærestruktur. Højtydende katoder kunne fremstilles ud fra strontiumdoteret lantancobaltit (LSC) infiltreret i en porøs bærestruktur af Ce0.9Gd0.1O1.95 (CGO). Systematiske variationer af den porøse CGO-bærestruktur, LSC-afbrændingstemperaturen og mængden af infiltreret LSC blev foretaget, og en katodepolarisationsmodstand på Rp = 0.044 cm2 ved 600graderC blev opnået. Den mest lovende katode blev integreret på en anodesupporteret brændselscelle og fremragende stabilitet over 1500 timer ved 700graderC blev demonstreret. Katoder af henholdsvis LaCoO3 og Co3O4 infiltreret ind i porøse bærestrukturer af CGO blev også fremstillet og undersøgt. En god ydeevne blev også fundet for disse katoder, såfremt infiltratet blev holdt nanokrystallinsk. Betydningen af valget af bærestruktur blev også undersøgt ved at udskifte CGO med Bi2V0.9Cu0.1O5.95 (BICUVOX). Katoden med en BICUVOX-bærestruktur udviste en degradering i ydeevne, som ikke er observeret for de tilsvarende LSC-infiltrerede CGO-katoder. Dette viser betydningen af materialekompatibilitet frem for en høj ionledningsevne i den porøse bærestruktur. Ca3Co4O9+delta er også blevet undersøgt som muligt katodemateriale. Lovende resultater (Rp = 0.64 cm2 ved 600graderC for en kompositkatode bestående af Ca3Co4O9+delta:CGO 50/50 vol %) blev fundet. En endimensionel katodemodel, der inkluderer infiltrering, er blevet udviklet for opnåelse af en bedre forståelse af infiltreringselektroder samt mulighed for at forudsige ydeevnen af disse katoder. Med modellen er det muligt at bestemme et udtryk for den arealspecifikke modstand associeret med iltudveksling for infiltreret LSC. De bestemte værdier er signifikant lavere end tilsvarende i litteraturen, hvilket sandsynliggør, at de mindre dimensioner i en infiltreringselektrode ikke alene er ansvarlig for den forbedrede ydeevne. For at forklare de eksperimentelt bestemte resultater var det nødvendigt at antage, at iltudvekslingen af det infiltrerede LSC er forøget. En række parametervariationer blev foretaget med modellen, og betydningen af disse, for fremtidige studier omhandlende infiltreringselektroder, er blevet diskuteret.