Comparative analysis of ceramic-carbonate nanocomposite fuel cells using composite GDC/NLC electrolyte with different perovskite structured cathode materials

Abstract

A comparative analysis of perovskite structured cathode materials, La_0.65Sr_0.35MnO₃ (LSM), La_0.8Sr_0.2CoO₃ (LSC), La_0.6Sr_0.4FeO₃ (LSF) and La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O₃ (LSCF), was performed for a ceramic-carbonate nanocomposite fuel cell using composite electrolyte consisting of Gd_0.1Ce_0.9O_1.95 (GDC) and a eutectic mixture of Na₂CO₃ and Li₂CO₃. The compatibility of these nanocomposite electrode powder materials was investigated under air, CO₂ and air/CO₂ atmospheres at 550 °C. Microscopy measurements together with energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) elementary analysis revealed few spots with higher counts of manganese relative to lanthanum and strontium under pure CO₂ atmosphere. Furthermore, electrochemical impedance (EIS) analysis showed that LSC had the lowest resistance to oxygen reduction reaction (ORR) (14.12 Ω·cm²) followed by LSF (15.23 Ω·cm²), LSCF (19.38 Ω·cm²) and LSM (>300 Ω·cm²). In addition, low frequency EIS measurements (down to 50 µHz) revealed two additional semi-circles at frequencies around 1 Hz. These semicircles can yield additional information about electrochemical reactions in the device. Finally, a fuel cell was fabricated using GDC/NLC nanocomposite electrolyte and its composite with NiO and LSCF as anode and cathode, respectively. The cell produced an excellent power density of 1.06 W/cm² at 550 °C under fuel cell conditions.

Graphical abstract

Keywords

electrode / fuel cell / low-temperature / nanocomposite / perovskite

References

[1] Rajesh S, Maccedo  D A, Nascimento  R M. Materials and processes for energy: Communicating current research and technological developments. Formatex Research Center, 2013, 485–494

[2] Park S Y, Ahn  J H, Jeong  C W, Na  C W, Song  R H, Lee  J H. Ni-YSZ-supported tubular solid oxide fuel cells with GDC interlayer between YSZ electrolyte and LSCF cathode. International Journal of Hydrogen Energy, 2014, 39(24): 12894–12903

[3] Kakac S, Pramuanjaroenkij  A, Zhou X Y. A review of numerical modelling of solid oxide fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 2007, 32(7): 761–786

[4] Ho T X, Kosinski  P, Hoffmann A C,  Vik A. Effects of heat sources on the performance of a planar solid oxide fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy, 2010, 35(9): 4276–4284

[5] Asghar M I, Lund  P D. Improving catalyst stability in nano-structured solar and fuel cells. Catalysis Today, 2015, 259: 259–265

[6] Yokokawa H, Tu  H, Iwanschitz B,  Mai A. Fundamental mechanisms limiting solid oxide fuel cell durability. Journal of Power Sources, 2008, 182(2): 400–412

[7] O’Hayre R, Cha  S W, Colella  W, Prinz F B. Fuel cell fundamentals.New Jersey: Wiley, 2006, 245–246

[8] Patakangas J, Ma  Y, Jing Y,  Lund P. Review and analysis of characterization methods and ionic conductivities for low-temperature fuel cells (LT-SOFC). Journal of Power Sources, 2014, 263: 315–331

[9] Fergus J W. Electrolytes for solid oxide fuel cells. Journal of Power Sources, 2006, 162(1): 30–40

[10] Ivers-Tiffee E, Weber  A, Herbstritt D. Materials and technologies for SOFC-components. Journal of the European Ceramic Society, 2001, 21(10-11): 1805–1811

[11] Kilner J A, Burriel  M. Materials for intermediate-temperature solid-oxide fuel cells. Annual Review of Materials Research, 2014, 44(1): 365–393

[12] Fergus J, Hui  R, Li X,  Wilkinson D P,  Zhang J. Solid Oxide Fuel Cells: Material Properties and Performance. Florida: Chemical Rubber Company Press, 2009, 33–37

[13] Lee J G, Park  J H, Shul  Y G. Tailoring gadolinium-doped ceria-based solid oxide fuel cells to achieve 2 W∙cm^‒2 at 550 °C. Nature Communications, 2014, 5: 4045

[14] Pereira J R S,  Rajesh S,  Figueiredo F M L,  Marques F M B. Composite electrodes for ceria-carbonate intermediate temperature electrolytes. Electrochimica Acta, 2013, 90: 71–79

[15] Rajesh S, Pereira  J R S, Figueiredo  F M L, Marques  F M B. Performance of carbonate—LaCoO₃ and La_0.8Sr_0.2Co_0.2Fe_0.8O₃-composite cathodes under carbon dioxide. Electrochimica Acta, 2014, 125: 435–442

[16] Loureiro F J A,  Rajesh S,  Figueiredo F M L,  Marques F M B. Stability of metal oxides against Li/Na carbonates in composite electrolytes. Royal Society of Chemistry Advances, 2014, 4: 59943–59952

[17] Chockalingam R, Jain  S, Basu S. Studies on conductivity of composite GdCeO₂-carbonate electrolytes for low temperature solid oxide fuel cells. Integrated Ferroelectrics, 2010, 116(1): 23–34

[18] Tan W, Fan  L, Raza R,  Khan M A,  Zhu B. Studies of modified lithiated NiO cathode for low temperature solid oxide fuel cell with ceria-carbonate composite electrolyte. International Journal of Hydrogen Energy, 2013, 38(1): 370–376

[19] Di J, Chen  M, Wang C,  Zheng J,  Fan L, Zhu  B. Samarium doped ceria-(Li/Na)₂CO₃ composite electrolyte and its electrochemical properties in low temperature solid oxide fuel cell. Journal of Power Sources, 2010, 195(15): 4695–4699

[20] Richter J, Holtappelsm  P, Graule T,  Nakamura T,  Gauckler L J. Materials design for perovskite SOFC cathodes. Monatshefte für Chemie, 2009, 140(9): 985–999

[21] Ota K, Mitsushima  S, Kato S,  Asano S,  Yoshitake H,  Kamiya N. Solubilities of nickel oxide in molten carbonate. Journal of the Electrochemical Society, 1992, 139(3): 667–671

[22] Doyon J, Gilbert  T, Davies G,  Paetsch L. NiO solubility in mixed alkali/alkaline earth carbonates. Journal of the Electrochemical Society, 1987, 134(12): 3035–3038

[23] Jiang S P. A comparison of O₂ reduction reactions on porous (La,Sr)MnO₃ and (La,Sr)(Co,Fe)O₃ electrodes. Solid State Ionics, 2002, 146(1-2): 1–22

[24] Petric A, Huang  P, Tietz F. Evaluation of La-Sr-Co-Fe-O perovskites for solid oxide fuel cells and gas separation membranes. Solid State Ionics, 2002, 135(1-4): 719–725

[25] Haile S M. Fuel cell materials and components. Acta Materialia, 2003, 51(19): 5981–6000

[26] Teraoka Y, Nobunaga  T, Okamoto K,  Miura N,  Yamazoe N. Influence of constituent metal cations in substituted LaCoO₃ on mixed conductivity and oxygen permeability. Solid State Ionics, 1991, 48(3-4): 207–212

[27] Wiemhofer H D,  Bremes H G,  Nigge U,  Zipprich W. Solid state ionics. Studies of ionic transport and oxygen exchange on oxide materials for electrochemical gas sensors. Solid State Ionics, 2002, 150(1-2): 63–77

[28] Seo E S M,  Yoshito W K,  Ussui V,  Lazar D R R,  Castanho S R H M,  Paschoal J O A. Influence of the starting materials on performance of high temperature oxide fuel cells devices. Materials Research, 2004, 7(1): 215–220

[29] Adler S B. Factors governing oxygen reduction in solid oxide fuel cell cathodes. Chemical Reviews, 2004, 104(10): 4791–4843

[30] Fu Y, Poizeau  S, Bertei A,  Qi C, Mohanram  A, Pietras J D,  Bazant M Z. Heterogeneous electrocatalysis in porous cathodes of solid oxide fuel cells. Electrochimica Acta, 2015, 159: 71–80

[31] Maguire E, Gharbage  B, Margues F M B,  Labrincha J A. Cathode materials for intermediate temperature SOFCs. Solid State Ionics, 2000, 127(3-4): 329–335

[32] Evans A, Martynczuk  J, Stender D,  Schneider C W,  Lippert T,  Prestat M. Low-temperature micro-solid oxide fuel cells with partially amorphous La_0.6Sr_0.4CoO₃-s cathodes. Advanced Energy Materials, 2015, 5(1): 1400747

[33] Evans A, Karalic  S, Martynczuk J,  Prestat M,  Tolke R,  Yang Z, Gauckler  L J. La_0.6Sr_0.4CoO₃-s thin films prepared by pulsed laser deposition as cathodes for micro-solid oxide fuel cells. ECS Transactions, 2012, 45(1): 333–336

[34] Gao Z, Mogni  L V, Miller  E C, Railsback  J G, Barnett  S A. A perspective on low-temperature solid oxide fuel cells. Energy & Environmental Science, 2016, 9(5): 1602–1644

[35] Lee C. Analysis of impedance in a molten carbonate fuel cell. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2016, 776: 162–169

[36] Nguyen H V P,  Kang M G,  Ham H C,  Choi S H,  Han J, Nam  S W, Hong  S A, Yoon  S P. A new cathode for reduced-temperature molten carbonate fuel cells. Journal of the Electrochemical Society, 2014, 161(14): F1458–F1467

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg