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

Acknowledgements

This work is a part of EU-Indigo project. The authors especially thank Academy of Finland for their financial support (Grant Nos. 13282962 and 13279204) with the framework of EU New Indigo programme. This work made use of the premises from Aalto University Nanomicroscopy Center (Aalto-NMC), Laboratory of Inorganic Chemistry and Department of Forest Products Technology.

Electronic Supplementary Material

Supplementary material is availablein the online version of this article at http://dx.doi.org/10.1007/s11705-017-1642-2 and is accessible for authorized users.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg