Investigation of electrolyte materials and measurement techniques for nanocomposite fuel cells

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Lund, Peter
dc.contributor.author Patakangas, Janne
dc.date.accessioned 2014-12-29T10:00:42Z
dc.date.available 2014-12-29T10:00:42Z
dc.date.issued 2014
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/14813
dc.description.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. en
dc.description.abstract 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. fi
dc.format.extent 78 + app. 38
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.haspart [Publication 1]: J. Patakangas, Y. Ma, Y. Jing, P. Lund, Review and analysis of characterization methods and ionic conductivities for low-temperature fuel cells (LT-SOFC), Journal of Power Sources 263 (2014) 315-331.
dc.relation.haspart [Publication 2]: Y. Jing, J. Patakangas, P. Lund, B. Zhu, An improved synthesis method of ceriacarbonate based composite electrolytes for low-temperature SOFC fuel cells, International Journal of Hydrogen Energy 38 (2013) 16532-16538.
dc.relation.haspart [Publication 3]: Y. Jing, Y. Ma, J. Patakangas, B. Zhu, M. Johnsson, M.E. Cura, P. Lund, Enhanced conductivity of SDC based nanocomposite electrolyte by spark plasma sintering, International Journal of Hydrogen Energy 39 (2014) 14391-14396.
dc.subject.other Energy en
dc.subject.other Physics en
dc.title Investigation of electrolyte materials and measurement techniques for nanocomposite fuel cells en
dc.title Tutkimus nanokomposiittipolttokennojen kanssa käytetyistä elektrolyyttimateriaaleista ja mittaustekniikoista fi
dc.type G3 Lisensiaatintutkimus fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department Teknillisen fysiikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Applied Physics en
dc.subject.keyword LT-SOFC en
dc.subject.keyword CFC en
dc.subject.keyword freeze drying en
dc.subject.keyword spark plasma sintering en
dc.subject.keyword ionic conductivity en
dc.subject.keyword doped ceria/carbonate electrolyte en
dc.subject.keyword electrochemical impedance spectroscopy en
dc.subject.keyword constant current measurement en
dc.subject.keyword product analysis en
dc.subject.keyword pakastekuivaus fi
dc.subject.keyword plasmakipinäsintraus fi
dc.subject.keyword ionijohtavuus fi
dc.subject.keyword seostettu ceriumoksidi/karbonaatti elektrolyytti fi
dc.subject.keyword sähkökemiallinen impedanssispektroskopia fi
dc.subject.keyword vakiovirtamittaus fi
dc.subject.keyword reaktiotuoteanalyysi fi
dc.identifier.urn URN:NBN:fi:aalto-201412293338
dc.type.dcmitype text en
dc.programme.major Energiatieteet fi
dc.programme.major Advanced Energy Systems en
dc.programme.mcode F3005
dc.type.ontasot Licentiate thesis en
dc.type.ontasot Lisensiaatintyö fi
dc.contributor.supervisor Lund, Peter
dc.date.dateaccepted 2014-10-10


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account