Investigation of electrolyte materials and measurement techniques for nanocomposite fuel cells

Abstract

Solid oxide and molten carbonate fuel cells are considered promising for electricity production. Unfortunately, their high operating temperature and current stability issues prohibit their usage. Based on these fuel cell types, another kind of fuel cell has been developed allowing lower operating temperatures. This type of fuel cell has been called a low or intermediate temperature solid oxide fuel cell but due to its composite nature, we prefer to call it a composite fuel cell i.e. CFC. The electrolyte of the CFC is commonly a mixture of alkali carbonates and doped ceria. Its measured properties can be affected by different preparation and measurement methods. In this work we have conducted a literature review of conductivities of CFC electrolytes with the emphasis on a comparison between different measurement methods. In addition, we have also prepared CFC electrolytes and studied how freeze drying and spark plasma sintering affect the properties of the electrolyte and especially the conductivity. The most common measurement method has been an electrochemical impedance spectroscopy (EIS) producing also the highest measured conductivities. However, apparently the high conductivity is mainly due to the conductivity of the carbonate and the values acquired by EIS cannot be used to determine the goodness of the electrolyte in an operating fuel cell. On the other hand, lower conductivities have been acquired in constant current and product analysis measurements, but their results can be assumed to relate more to the effectiveness of the fuel cell. In case of the sample preparation, freeze drying has been noted to yield quite uniformly distributed nanoparticles and spark plasma sintering allowed more dense electrolytes to be prepared. These are both beneficial properties for the CFC cell and thus it is recommended in the future to produce samples using the freeze drying and, when applicable, spark plasma sintering methods. Similarly, the conductivity is recommended to be measured using either constant current or product analysis methods.

Kiinteäoksidi- ja sulakarbonaattipolttokennot ovat lupaavia keinoja sähkön tuottamista ajatellen. Korkea käyttöläpötila ja tämänhetkiset stabiilisuusongelmat rajoittavat kuitenkin niiden käyttöä. Näiden polttokennotyyppien perustalta on kuitenkin kehitetty toisenlainen polttokennotyyppi mahdollistaen matalammat käyttölämpötilat. Tätä polttokennotyyppiä on kutsuttu matalan- ja keskilämpötilan kiinteäoksidipolttokennoksi, mutta sen komposiittiluonteen takia kutsumme sitä mieluummin yhdistelmäpolttokennoksi (CFC englanniksi). CFC:n elektrolyyttinä käytetään yleisesti alkalikarbonaattien ja doupatun ceriumoksidin seosta. Sen mitatut ominaisuudet riippuvat sekä käytetyistä valmistus- että mittausmenetelmistä. Olemme tätä työtä varten tehneet kirjallisuusselvityksen CFCelectrolyyttien johtavuuksista sekä niiden mittausmenetelmistä. Olemme lisäksi valmistaneet CFC-elektrolyyttejä sekä tutkineet pakastekuivauksen ja plasmakipinäsintrauksen vaikutuksia näytteiden ominaisuuksiin ja erityisesti johtavuuteen. Kirjallisuudessa käytetyin mittausmenetelmä on ollut sähkökemiallinen impedanssispektroskopia (englanniksi EIS), jonka avulla on myös saavutettu suurimmat mitatut johtavuudet. Ilmeisesti mitatut arvot johtuvat kuitenkin suureksi osaksi karbonaatin johtavuudesta ja EIS:llä mitattujen arvojen perusteella ei voida määrittää elektrolyytin hyvyyttä polttokennokäytössä. Vakiovirtamittaus- ja reaktiotuoteanalyysimenetelmien avulla ollaan mitattu matalampia arvoja, mutta näiden avulla voitaneen paremmin kuvata kennon hyvyyttä. Toisaalta pakastekuivauksella on todettu saavutetun melko tasaisesti jakautuneita nanohiukkasia ja plasmakipinäsintraus on mahdollistanut tiiviimpien elektrolyyttien valmistamisen. Nämä molemmat ominaisuudet ovat hyödyllisiä CFCkennon toiminnalle, joten näytteiden teossa ehdotetaan tulevaisuudessa käytettäväksi pakastekuivausta ja mahdollisuuksien salliessa myös plasmakipinäsintrausta. Samaten johtavuusmittauksissa ehdotetaan käytettävän joko vakiovirtamittaus- tai reaktiotuoteanalyysimenetelmiä.