Systematic investigation of ceramic composite electrolytes consisting of proton and oxide-ion conductors for fuel cell and electrolyzer applications

Abstract

Extreme concern over the depletion of fossil fuel resources and increasing of greenhouse gas emissions has led to significant research into clean and sustainable energy production. Fuel cells are electrochemical devices that enable the conversion of chemical energy directly into electricity when fuel is supplied, producing clean energy. Thus, fuel cells have attracted growing interest in recent years among various alternative energy technologies. According to the electrolyte used, solid oxide fuel cells (SOFCs) are classified into oxygen ion-conducting SOFCs and proton-conducting SOFCs. In this thesis, we investigate proton-conducting electrolytes BZCY and BZCYYb, and ion-conducting electrolyte GDC as a reference material, with and without an addition of carbonates. Electrochemical measurements are done to get a better knowledge about the proton-conducting method and compare the proton-conducting materials to the more common ion-conducting material. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS), cyclic voltammetry (CV), and scanning electron microscopy (SEM) are performed on electrolyte pellets fabricated by pressing method. The total conductivities and activation energies of the electrolyte pellets are investigated with electrochemical measurements. In addition, the topography of the surface is studied from the SEM results. The BZCYYb + NLK electrolyte pellet under H2 achieved the best conductivity, 0.40 S/cm at 600°C. The lowest activation energy 0.179 eV is reached with BZCY + NLK electrolyte pellet in an atmosphere of H2. We observed that the proton-conducting electrolyte pellets with carbonates have significant enhancement in performance and are better electrolytes compared to the other samples according to EIS and CV measurements.

Äärimmäinen huoli fossiilisten polttoaineiden ehtymisestä ja kasvavista kasvihuonekaasupäästöistä on johtanut merkittäviin tutkimuksiin puhtaan ja kestävän energiantuotannon alalla. Polttokennot ovat sähkökemiallisia laitteita, jotka mahdollistavat kemiallisen energian suoran muuttamisen sähköksi polttoaineen syöttämisen yhteydessä, tuottaen puhdasta energiaa. Polttokennot ovat siten herättäneet kasvavaa kiinnostusta viime vuosina erilaisten vaihtoehtoisten energiateknologioiden joukossa. Käytetyn elektrolyytin perusteella kiinteäoksidipolttokennot (SOFC) jaetaan happi-ionijohde SOFC:iin ja protonijohde SOFC:iin. Tässä diplomityössä tutkimme protonijohde-elektrolyyttejä BZCY ja BZCYYb sekä happi-ionijohtavaa elektrolyyttiä GDC vertailumateriaalina. Lisäksi tutkimme näiden elektrolyyttien komposiitteja, joissa käytetään karbonaatteja lisäaineena. Sähkökemiallisia mittauksia suoritetaan paremman ymmärryksen saavuttamiseksi protonijohtamismenetelmästä ja protonijohteisista materiaaleista verrattuna yleisempään ionijohteiseen materiaaliin. Elektrokemiallinen impedanssispektroskopia (EIS), syklinen voltammetria (CV) ja skannauselektronimikroskopia (SEM) suoritetaan puristusmenetelmällä valmistetuille elektrolyyttipelleteille. Sähkökemiallisten mittausten avulla tutkitaan elektrolyyttipellettien kokonaisjohtavuuksia ja aktivaatioenergioita. Lisäksi näiden pinnan topografiaa tutkitaan SEM-tulosten perusteella. BZCYYb + NLK-elektrolyyttipelletti saavutti parhaan johtavuuden, 0,40 S/cm, vetyilmastossa 600°C lämpötilassa. Alin aktivaatioenergia, 0,179 eV, saavutetaan BZCY + NLK-elektrolyyttipelletillä vedyn ilmapiirissä. Huomasimme, että karbonaattien lisäys protonijohteisiin elektrolyyttipelletteihin paransi merkittävästi suorituskykyä, ja nämä osoittautuivat paremmiksi elektrolyyteiksi verrattuna muihin näytteisiin EIS- ja CV-mittausten perusteella.