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Nanostructured Electrodes for Low Temperature Solid Oxide Fuel Cells

Benel, Cahit :
Nanostructured Electrodes for Low Temperature Solid Oxide Fuel Cells.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Nanostructured Electrodes for Low Temperature Solid Oxide Fuel Cells
Language: English
Abstract:

The reduction of the operating temperatures of solid oxide fuel cells (SOFCs) below 600 °C is one of the primary objectives to make them cost competitive with existing energy conversion technologies. However, the low ionic conductivity of the electrolytes and the sluggish electrochemical reaction rates at the electrodes are the major issues, which limit the performance of SOFCs at reduced operating temperatures. While the effect of limited ionic conductivity of the electrolytes at lower operating temperatures has been compensated by decreasing the electrolyte thicknesses, the utilization of nanostructured electrodes with enhanced electrochemical activities has been one of the most common approaches to overcome the electrode limitations associated with the reduced operating temperatures. The aim of the thesis is to obtain high performance nanostructured electrodes for SOFCs in a cost-effective and easily scalable production method. The state-of-the-art electrode materials of La0.6Sr0.4CoO3-δ (LSC) and Ni-Ce0.8Gd0.2O2-δ (NiO-GDC20) with ultrafine microstructure and high phase purity are synthesized by salt-assisted spray pyrolysis method. Nanostructured electrode thin films fabricated by spin coating of the water-based dispersions of LSC and NiO-GDC20 nanoparticles exhibit a three-dimensional porous microstructure with a grain size of around 50 nm. The electrochemical performances of the resulting electrode layers with thicknesses below 1 µm are optimized in the symmetrical cell configuration for the purpose to integrate them into the micro-solid oxide fuel cell (micro-SOFC) devices, which typically employ costly physical vapor deposited Pt thin film electrodes. The proof of concept for the fabrication of porous micro-SOFC electrodes by spin coating of suspensions of electrode nanoparticles is reported for the first time, and the first set of electrochemical data (12 mW/cm2 at 500 °C) demonstrates the feasibility of the developed thin film electrode fabrication method. Furthermore, the synthesized electrode materials are examined in ceria-based anode supported SOFC design. The promising initial electrochemical results (318 mW/cm2 at 600 °C) set the ground for further optimization of the anode supported LSC|Ce0.9Gd0.1O2-δ (GDC10)|Ni-GDC20 cells.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Reduzierung der Betriebstemperaturen von Festoxid-Brennstoffzellen unter 600 °C ist eines der vorrangigen Ziele, um sie kostenwettbewerbsfähig mit den bestehenden Energieumwandlungstechnologien zu machen. Aber die niedrige Ionenleitfähigkeit der Elektrolyte und die trägen elektrochemischen Reaktionsgeschwindigkeiten an den Elektroden sind die Hauptprobleme, die die Leistung von Festoxid-Brennstoffzellen bei verringerten Betriebstemperaturen einschränken. Während der Effekt der begrenzten Ionenleitfähigkeit der Elektrolyte bei niedrigeren Betriebstemperaturen durch eine Verringerung der Elektrolytdicken kompensiert wurde, war die Verwendung von nanostrukturierten Elektroden mit verbesserten elektrochemischen Aktivitäten einer der häufigsten Ansätze zur Überwindung der mit den reduzierten Betriebtemperaturen verbundenen Elektrodenbeschränkungen. Das Ziel der Arbeit ist es, hochleistungsfähige nanostrukturierte Elektroden für Festoxid-Brennstoffzellen in einem kostengünstigen und leicht skalierbaren Herstellungsverfahren zu erhalten. Die hochmodernen Elektrodenmaterialien von La0.6Sr0.4CoO3-δ (LSC) und Ni-Ce0.8Gd0.2O2-δ (NiO-GDC20) mit ultrafeiner Mikrostruktur und hoher Phasenreinheit werden durch Salt-assisted Spray Pyrolyse synthetisiert. Nanostrukturierte Elektrodendünnfilme, die durch Spin-Coating der wasserbasierten Dispersionen von LSC- und NiO-GDC20-Nanopartikeln hergestellt wurden, weisen eine dreidimensionale poröse Mikrostruktur mit einer Korngröße von etwa 50 nm auf. Die elektrochemischen Leistungen der resultierenden Elektrodenschichten mit Dicken unter 1 μm sind in der symmetrischen Zellenkonfiguration optimiert, um sie in die Mikro-Festoxid-Brennstoffzellen zu integrieren, die typischerweise kostspielige physikalisch aufgedampfte Pt-Dünnschichten Filmelektroden verwenden. Die Herstellung von den Mikro-Festoxid-Brennstoffzellen-Elektroden durch Spin-Coating von Suspensionen von Elektroden-Nanopartikeln wird erstmals berichtet und der erste elektrochemischen Daten (12 mW/cm2 bei 500 °C) demonstriert die Machbarkeit der Dünnschicht-Elektrodenherstellungsverfahren. Weiterhin werden die synthetisierten Elektrodenmaterialien auf der Basis von auf Ceroxid basierenden Anoden-unterstützten Festoxid-Brennstoffzellen untersucht. Die vielversprechenden anfänglichen elektrochemischen Ergebnisse (318 mW/cm2 bei 600 °C) setzten die Grundlage für eine weitere Optimierung der Anoden-unterstützten LSC |Ce0.9Gd0.1O2-δ (GDC10)|Ni-GDC20-Zellen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Joint Research Laboratory Nanomaterials
Date Deposited: 16 Dec 2016 13:23
Last Modified: 16 Dec 2016 13:23
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-58465
Referees: Hahn, Prof. Dr. Horst and Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 7 July 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5846
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