Preparation of Ba0.5Sr0.5(Co0.8Fe0.2)1-xTaxO3-δ perovskite anode for solid oxide electrolysis cell and comparison of electrochemical performance and durability with the basic anodes

Other Title (Parallel Title in Other Language of ETD)

การเตรียมขั้วแอโนดชนิดเพอรอฟสไกต์ Ba0.5Sr0.5(Co0.8Fe0.2)1-xTaxO3-δ สำหรับเซลล์อิเล็กโทรไลซิสแบบออกไซด์ของแข็งและการเปรียบเทียบความสามารถทางเคมีไฟฟ้าและความคงทนกับขั้วแอโนดพื้นฐาน

Author

Patthiya Prasopchokkul, Faculty of Engineering

Year (A.D.)

2019

Document Type

Thesis

First Advisor

Pattaraporn Kim

Faculty/College

Faculty of Engineering (คณะวิศวกรรมศาสตร์)

Department (if any)

Department of Chemical Engineering (ภาควิชาวิศวกรรมเคมี)

Degree Name

Master of Engineering

Degree Level

Master's Degree

Degree Discipline

Chemical Engineering

DOI

10.58837/CHULA.THE.2019.78

Abstract

Among perovskite anodes in solid oxide electrolysis cell (SOEC), Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF) has gained much attention due to its relatively high performance. However, the BSCF still suffers from chemical instability. In this study, partial substituting higher valance Ta5+ (5, 10, 15 and 20 mol%) at the B-site (Co2+/Fe3+) of BSCF was investigated to improve its structural stability. The Ba0.5Sr0.5(Co0.8Fe0.2)1-xTaxO3-δ (BSCFTax, 0 ≤ x ≤ 0.20) were synthesized by citrate-EDTA complexing method. The BSCF and BSCFTa0.05 exhibited the single phase perovskite while segregation of Ta2O5 and Ta3N5 were observed in other samples. The symmetrical half-cell having the yttria stabilized zirconia (YSZ) as an electrolyte (BSCFTa/YSZ/BSCFTa) were fabricated to determine the area specific resistance (ASR) of the electrode. BSCFTa0.10 shows the lowest ASR of 2.32 Ω·cm2 at 600°C. Comparing electrochemical performance and durability of single cells having undoped BSCF, BSCFTa0.10 and LSM-YSZ a basic anode, Ni-YSZ/YSZ/BSCFTa0.10 exhibited the highest performance and durability. The degradation rate of Ni-YSZ/YSZ/BSCF, Ni-YSZ/YSZ/BSCFTa0.10 and Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ were 0.0123V·h-1, 0.0027V·h-1 and 0.0204V·h-1, respectively (operating at current density 0.45A·cm-2 in electrolysis mode, 80 h, 800°C and H2O to H2 ratio of 70:30). Doping with higher valence Ta5+ increased durability and chemical stability in BSCF but also decreased oxygen vacancy due to decreasing defect in the perovskite. However, electrochemical performance increased in Ta5+ doped BSCF, likely due to a proper balance between electronic and ionic conductivity in doped BSCF.

Other Abstract (Other language abstract of ETD)

ขั้วแอโนดชนิดเพอรอฟสไกต์ Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF) จัดเป็นขั้วแอโนดชนิดหนึ่งที่ได้รับความสนใจเป็นอย่างยิ่งเนื่องจากมีประสิทธิภาพสำหรับใช้ในเซลล์อิเล็กโทรไลซิสแบบออกไซด์ของแข็งค่อนข้างสูง แต่อย่างไรก็ตามขั้วแอโนดชนิด BSCF ยังคงขาดเสถียรภาพทางโครงสร้างเคมีซึ่งส่งผลถึงความทนทานในการใช้งาน ดังนั้นเพื่อทำการพัฒนาและปรับปรุงข้อบกพร่องนี้ จึงทำการสังเคราะห์ Ba0.5Sr0.5(Co0.8Fe0.2)1-xTaxO3-δ โดยการเติมไอออนโลหะ Ta ที่ตำแหน่ง B (Co และ Fe) เมื่อ x มีค่าเท่ากับ 5 10 15 และ 20 เปอร์เซ็นต์โมลด้วยวิธีซิเทรตอีดีทีเอ จากการวิเคราะห์ด้วยเทคนิคเสี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์พบว่าตัวอย่างชนิด BSCF และ BSCFTa0.05 แสดงโครงสร้างเฟอรอฟสไกต์แบบผลึกเดียว ในขณะเดียวกันได้เกิดสารประกอบ Ta2O5 และ Ta3N5 ขึ้นในตัวอย่างอื่นๆ การขึ้นรูปเซลล์แบบครึ่งเซลล์สมมาตร โดยประกอบด้วยชั้นอิเล็กโทรไลต์ชนิด YSZ และขั้วอิเล็กโทรด BSCFTa (BSCFTa/YSZ/BSCFTa) เพื่อหาความต้านทานต่อพื้นที่ของขั้วอิเล็กโทรด จากการทดสอบที่อุณหภูมิ 600 องศาเซลเซียสพบว่าขั้วแอโนดชนิด BSCFTa0.10 มีค่าความต้านทานต่อพื้นที่น้อยที่สุด โดยมีค่าเท่ากับ 2.32 โอห์มต่อตารางเซนติเมตร และเมื่อเปรียบเทียบความสามารถทางเคมีไฟฟ้าและความทนทานของเซลล์อิเล็กโทรไลซิสแบบออกไซด์ของแข็งซึ่งประกอบด้วยขั้วแคโทดชนิด Ni-YSZ ชั้นอิเล็กโทรไลต์ชนิด YSZ และขั้วแอโนดทั้ง 3 ชนิด ได้แก่ BSCF และ LSM-YSZ ซึ่งเป็นขั้วแอโนดชนิดพื้นฐานกับขั้วแอโนดชนิด BSCFTa0.10 พบว่าเซลล์อิเล็กโทรไลซิสแบบออกไซด์ของแข็งที่ประกอบด้วยขั้วแอโนดชนิด BSCFTa0.10 (Ni-YSZ/YSZ/BSCFTa0.10) มีความสามารถทางเคมีไฟฟ้าและความทนทานที่ดีที่สุด โดยที่อุณหภูมิในการทำงานที่ 800 องศาเซลเซียส ภายใต้อัตราส่วนของไอน้ำต่อไฮโดรเจนที่ 70:30 และป้อนความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่ 0.45 แอมป์ต่อตารางเซนติเมตรเป็นเวลา 80 ชั่วโมง พบว่าอัตราการเสื่อมของเซลล์อิเล็กไทรไลซิสชนิด Ni-YSZ/YSZ/BSCF Ni-YSZ/YSZ/BSCFTa0.10 และ Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ มีค่าเท่ากับ 0.0123 0.0027 และ 0.0204 โวลต์ต่อชั่วโมงตามลำดับ ดังนั้นการเติมไอออนโลหะที่มีค่าวาเลนซ์สูงอย่าง Ta จะช่วยเพิ่มความทนทานและเสถียรภาพทางโครงสร้างเคมีของเพอรอฟสไกต์ชนิด BSCF เนื่องจากการเติมไอออนโลหะ Ta ส่งผลทำให้ที่ว่างของออกซิเจนในโครงสร้างเพอรอฟสไกต์นั้นลดลง แต่อย่างไรก็ตามความสามารถทางเคมีไฟฟ้าก็เพิ่มขึ้นด้วยเมื่อเติมไอออนโลหะ Ta ลงใน BSCF ซึ่งเป็นผลมาจากการรักษาสมดุลที่เหมาะสมระหว่างการนำไฟฟ้าและการนำไอออนในขั้วแอโนดชนิด BSCFTa0.10

Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-No Derivative Works 4.0 International License.

Recommended Citation

Prasopchokkul, Patthiya, "Preparation of Ba0.5Sr0.5(Co0.8Fe0.2)1-xTaxO3-δ perovskite anode for solid oxide electrolysis cell and comparison of electrochemical performance and durability with the basic anodes" (2019). Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD). 8454.
https://digital.car.chula.ac.th/chulaetd/8454