Investigation and characterization of materials for composite and electrolyte layer free fuel cells

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2016-04-01
Date
2016
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
115 + app. 75
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 20/2016
Abstract
Fuel cell technology is a promising clean energy technology, for example, to complement renewable energy production. One possible fuel cell type is the composite fuel cell (CFC; aka a low-temperature solid oxide fuel cell) of which electrolyte is a composite of doped ceria and a mixture of alkali carbonates. It can also be regarded as a combination of high temperature (>600°C) molten carbonate and solid oxide fuel cell technologies. However due to the composite electrolyte, CFC operates at intermediate temperatures (around 300 – 600°C). The main aim of this thesis was to further develop the CFC technology by improving electrolyte and electrode materials and their characterization methods as well as studying the possibility of a simplified fuel cell structure. The electrolyte and the electrodes are critical parts of the fuel cell and in this thesis, electrolyte and electrode materials were prepared using different methods. Based on these studies, the freeze drying method can be recommended as an effective way to prepare composite electrolyte materials. Dense pellets could also be prepared from these materials using a spark plasma sintering. Furthermore, electrode materials could be prepared by a slurry method to produce nanometer sized particles with a high catalytic area. Conductivity is an important property of the electrolyte and it can be measured using several techniques such as electrochemical impedance spectroscopy (EIS), constant current and product analysis methods. These techniques were compared to analyze their effectiveness for measuring the conductivity of the CFC electrolytes. Based on the comparison, it seems that EIS cannot be used directly to determine the quality of the composite electrolyte. Instead, the constant current and the product analysis methods can be recommended, especially, if a 4-probe system is employed. A new kind of fuel cell that does not have a well-defined electrolyte layer (and can thus be called an electrolyte layer free fuel cell, EFFC) has been presented recently. The operating principles of EFFC are still unclear but it has been speculated that the operation mechanisms could be due to Schottky or p-n junctions or a bulk heterojunction. In this thesis, these mechanisms are discussed critically and it seems that junctions alone cannot prevent the short circuiting. Instead, the operation mechanism may result from a blurred electrolyte layer formed between the anode and the cathode reaction sites.

Polttokennoteknologia on lupaava ympäristöystävällinen energiateknologia, jonka avulla voidaan esimerkiksi täydentää uusiutuvien energioiden käyttöä. Yksi mahdollinen polttokennotyyppi on komposiittipolttokenno (CFC), jonka elektrolyytti on yhdistelmä seostettua ceriumoksidia ja alkalikarbonaattiseosta. Tästä syystä CFC:tä voidaan pitää myös yhdistelmänä korkean lämpötilan (>600°C) sulakarbonaatti- ja kiinteäoksidipolttokennoteknologioista. Komposiittielektrolyyttinsä ansiosta CFC:n käyttölämpötila on kuitenkin 300 – 600°C:n välillä. Tämän työn pääasiallisena tavoitteena on ollut edistää CFC-teknologian kehitystä parantamalla elektrolyytti- ja elektrodimateriaaleja ja näiden karakterisointimenetelmiä sekä tutkimalla mahdollisuutta käyttää yksinkertaisempaa polttokennorakennetta. Elektrolyytti ja elektrodit ovat kriittisiä polttokennon toimintaa ajatellen ja tässä työssä elektrolyytti- ja elektrodimateriaaleja valmistettiin erilaisilla menetelmillä. Tutkimusten perusteella pakastekuivausmenetelmää voidaan suositella käytettäväksi komposiittielektrolyyttimateriaalien valmistuksessa. Lisäksi plasmakipinäsintrauksen avulla on mahdollista valmistaa näistä materiaaleista tiiviitä pellettejä. Samaten liete-/saostusmenetelmää voidaan suositella käytettäväksi elektrodien valmistuksessa, koska menetelmällä on mahdollista tuottaa nanopartikkeleita, joilla on suuri katalyyttinen pinta-ala. Johtavuus on tärkeä ominaisuus elektrolyytille ja sitä voidaan mitata useilla eri tekniikoilla kuten sähkökemiallisella impedanssispektroskopialla (EIS) sekä tasavirta- ja lopputuoteanalyysimenetelmillä. Tässä työssä verrattiin näiden tekniikoiden sopivuutta CFC-elektrolyyttien johtavuuden mittaamiseen. Tutkimusten perusteella vaikuttaa siltä, että EIS:n avulla ei voida suoraan päätellä komposiittielektrolyytin hyvyyttä. Sen sijaan suositellaan käytettäväksi tasavirta- ja lopputuote-analyysimenetelmiä varsinkin, jos nelipistemittausta voidaan käyttää. Hiljattain on kehitetty uudentyyppinen polttokenno, jolla ei ole selkeästi rajattua elektrolyyttikerrosta ja jota voidaan kutsua elektrolyyttikerroksettomaksi polttokennoksi (EFFC). EFFC:n toimintaperiaatteet eivät ole täysin selvillä, mutta on ehdotettu, että laitteen toiminta voisi perustua Schottky-, puolijohde- tai bulkkiheteroliitoksiin. Näitä toimintaperiaatteita on tarkasteltu tässä työssä kriittisesti ja vaikuttaa siltä, että liitokset eivät voi yksinään estää oikosulun syntymistä. Sen sijaan on todennäköisempää, että anodi- ja katodipuolen reaktiokeskusten välissä on epämääräinen elektrolyyttikerros.   
Description
Supervising professor
Lund, Peter, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Lund, Peter, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
fuel cell, CFC, LTSOFC, conductivity measurement, electrolyte, electrode, EFFC, polttokenno, johtavuusmittaus, elektrolyytti, elektrodi
Parts
  • [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, 315-331, October 2014.
    DOI: 10.1016/j.jpowsour.2014.04.008 View at publisher
  • [Publication 2]: Y. Jing, J. Patakangas, P. Lund, B. Zhu. An improved synthesis method of ceria-carbonate based composite electrolytes for low-temperature SOFC fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 38, 16532-16538, December 2013.
    DOI: 10.1016/j.ijhydene.2013.05.136 View at publisher
  • [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, 14391-14396, September 2014.
    DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.02.126 View at publisher
  • [Publication 4]: J. Patakangas, Y. Jing, M. I. Asghar, P. Lund. Investigation of LiNiCuZn-Oxide Electrodes Prepared by Different Methods: Synthesis, Characterization and Properties for Nanocomposite Fuel Cells. International Journal of Hydrogen Energy, 5 pages,
    DOI: 10.1016/j.ijhydene.2015.10.133, Available online November 25, 2015 View at publisher
  • [Publication 5]: B. Zhu, H. Qin, R. Raza, Q. Liu, L. Fan, J. Patakangas, P. Lund. A single component fuel cell reactor. International Journal of Hydrogen Energy, 36, 8536-8541, July 2011.
    DOI: 10.1016/j.ijhydene.2011.04.082 View at publisher
  • [Publication 6]: B. Zhu, P. Lund, R. Raza, J. Patakangas, Q.-A. Huang, L. Fan, M. Singh. A new energy conversion technology based on nano-redox and nano-device processes. Nano Energy, 2, 1179–1185, November 2013.
    DOI: 10.1016/j.nanoen.2013.05.001 View at publisher
  • [Publication 7]: B. Zhu, P. Lund, R. Raza, Y. Ma, L. Fan, M. Afzal, J. Patakangas, Y. He, Y. Zhao, W. Tan, Q.-A. Huang, J. Zhang, H. Wang. Schottky Junction Effect on High Performance Fuel Cells Based on Nanocomposite Materials. Advanced Energy Materials, 5, 1401895, 6 pages, April 2015.
    DOI: 10.1002/aenm.201401895 View at publisher
Citation