Application of Rare-Earth Doped Ceria and Natural Minerals for Solid Oxide Fuel Cells

Tid: Fr 2019-09-27 kl 10.00

Plats: K1, Teknikringen 56, Stockholm (English)

Ämnesområde: Energiteknik Teknisk materialvetenskap Kemiteknik

Respondent: Yanyan Liu , Energiteknik, Solid Oxide Fuel Cells

Opponent: Professor Shanwen Tao, School of Engineering, University of Warwick, UK

Handledare: Andrew R. Martin, Kraft- och värmeteknologi, Energiteknik; Wujun Wang, Kraft- och värmeteknologi

Abstract

Även om fastoxid bränslecellers (SOFC) uppvisar signifikanta fördelar jämfört med andra energiomvandlingstekniker, t.ex. hög verkningsgrad, låga emissioner och bränsleflexibilitet, leder dess höga driftstemperatur till snabb komponentdegradering, vilken har hindrat kommersialiseringen. Under de senaste åren har intensiv forskning ägnats åt att sänka driftstemperaturerna från de höga temperaturregionerna (800-1,000 °C) till mellanliggande eller låga temperaturintervaller (<800 ℃). För att uppnå detta mål spelar materialvalet en dominerande roll, vilket bland annat innebär att man förbättrar ledningsförmågan hos befintliga elektrolyter och utvecklar nya material. Denna avhandling fokuserar på att förbättra den jonledande förmågan hos oxider av sällsynta jordartsmetaller, huvudsakligen dopad ceriumoxid, samt forskning på nya kandidatmaterial, t.ex. naturliga mineraler.

I det här arbetet kan det vetenskapliga bidraget delas in i fyra aspekter:

i)                Att utveckla en trippel-dopingmetodik för att syntetisera önskvärda superjoniska ledningsförmågor i Sm3+/Pr3+/Nd3+ dopad ceriumoxid. Detta material konstruerades med hjälp av en tvåstegs våtkemisk samutfällningsmetod för att åstadkomma en önskad dopning för Sm3+ i bulk och Pr3+/Nd3+ vid ytdomäner. Materialet uppvisar en hög jonisk ledningsförmåga, 0.125 S cm-1 vid 600 ℃. En SOFC-enhet som använder denna trippeldopade ceriumoxid som elektrolyt har uppvisat en hög effekttäthet på 710 mW cm-2 vid 550 ℃;

ii)              För att ytterligare klargöra den individuella effekten av Pr3+ i det dopade ceriummaterialet studerades enfas Pr-dopade ceria, vilken uppvisade en blandad elektronisk/jonisk ledningsegenskap som skulle användas som kärnkomponent i avancerad elektrolytskiktsfri fastoxid bränsleceller (EFFC).

iii)             Att undersöka olika sällsynta jordartade dopade ceriummaterial i lösningar med dubbel- och trippelelement (Sm3+/Ca2+ och La3+/Pr3+/Nd3+) applicerade för SOFC-teknik med låg temperatur. De dubbel- och tripeldopade ceriummaterialen var sammansatta med halvledare, dvs Ni0.8Co0.15Al0.05Li-oxid (NCAL) och La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF) för att fungera som en halvledande jonisk ledande membran i EFFCs.

iv)             Att utnyttja naturligt kopparspinell (CuFe2O4) som ett alternativt material för SOFC. För första gången tillverkades tre olika typer av anordningar för att undersöka den optimala appliceringen av CuFe2O4 i SOFC. Enheten med CuFe2O4 som katodkatalysator uppvisade en maximal effekttäthet av 180 mW cm-2 med en öppen kretsspänning 1.07 V vid 550 ℃. En effekttäthet på 587 mW cm-2 emellertid uppnådes från anordningen bestående av ett homogentblandat membran med CuFe2O4, Li2O-ZnO-Sm0.2Ce0.8O2 och LiNi0.8Co0.15Al0.05O2.

Baserat på detta arbete utnyttjades en ny strategi för att förbättra jonledningsförmågan hos dopade ceriummaterial genom yt- och bulkdopningsmetodik. Vidare verifierades utvecklingen av EFFC-teknikens tillförlitlighet av enfasad, blandad elektronisk/jonledande dopade ceriumoxid samt jonledande multidopade ceria-och halvledarkompositer. Dessa resultat visar att naturliga mineraler kan spela en viktig roll för att utveckla kostnadseffektiva material för bränsleceller.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-257718

Innehållsansvarig:infomaster@itm.kth.se
Tillhör: Skolan för industriell teknik och management (ITM)
Senast ändrad: 2019-09-04