Celem strategicznym wielu instytucji zajmujących się energetyką wodorową jest opracowanie technologii wytwarzania średniotemperaturowych ogniw paliwowych IT-SOFC, które będą w stanie pracować z dużą wydajnością w temperaturze między 600 a 800°C. Obiecującą drogą do realizacji tego celu jest zastąpienie powszechnie używanego elektrolitu C-YSZ na częściowo stabilizowany ditlenek cyrkonu o strukturze tetragonalnej 3Y-TZP. Przesłanką do podjęcia próby zastosowania tworzywa 3Y-TZP jako elektrolitu do ogniw IT-SOFC jest nie tylko zdecydowanie wyższa jego wytrzymałość mechaniczna i odporność na wstrząsy cieplne, ale także niższa energia aktywacji przewodnictwa elektrycznego, a co za tym idzie wyższe przewodnictwo elektryczne w porównaniu z C-YSZ w temperaturach poniżej 700°C. Stwierdzono, że dodatek AI2O3 powyżej jego granicy rozpuszczalności
w tworzywie 3Y-TZP może w pewnych warunkach prowadzić do wzrostu przewodnictwa elektrycznego tworzyw 3Y-TZP. W świetle aktualnych badań efekt dodatku tlenku glinu na charakter zmian przewodnictwa wydaje się być zależny nie tylko od stężenia tlenku glinu ale także sposobu otrzymania tetragonalnej odmiany dwutlenku cyrkonu w układzie 3Y- TZP/AI2O3, a co za
tym idzie modyfikacji jego mikrostruktury.
W kontekście możliwości wykorzystania elektrolitu 3Y-TZP/AI2O3 do
ogniw IT-SOFC przeprowadzono badania jego reaktywności chemicznej z materiałem katodowym LSCF48. Wybrane materiały elektrolitowe wykorzystano także do konstrukcji przegrody komórki ogniwa paliwowego w celu przeprowadzenia testów właściwości użytkowych.
Modyfication tetragonal cyrkonia as a solid electrolyte
Ceramic fuel cells, commonly known as solid oxide fuel cells (SOFCs), have been under development for a broad spectrum of electric power generation applications. The zirconia-based oxides are most widely used electrolytes for SOFCs, this is because of their high ionic conductivity, high mechanical and chemical stability, and compatibility toward other components used in SOFC. However their widespread commercial applications is limited due to high operating temperatures (1000-1200°C). Lowering the operating temperature of solid oxide fuel cells from the above-mentioned temperature to intermediate temperature of around 600-800°C is currently one of primary scientific issues in the fuel cell community. One promising way to obtain this goal is replacement commonly used cubic yttria- stabilized zirconia by yttria doped tetragonal zirconia policrystal ceramics. Another issue with regard to using zirconia-based oxides as electrolyte for SOFC, is influence of impurities on conductivity. AI2O3 acts as a scavenger of silica in zirconia. The main goal of this paper was investigated the effects of adding various amounts of aluminium oxide to the 3Y-TZP. This investigation was extended about measurements diffusion profiles of A1 in 3Y-TZP material. Another aim was the evaluation of a chemical stability of a composite electrolyte 3Y-TZP and 3Y-TZP/0.5 mol.% AI2O3 in relation to the LSCF48 electrode. These studies indicate the potential for the application of 3Y-TZP and 3Y-TZP/AI2O3 in
intermediate-temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs) due to the chemical compatibility with the LSCF48 cathode at the expected operation temperature of the cell (1073 K). Positive test of single solid oxide cell with 3Y-TZP material as a electrolyte, confirm its potential application in construction of stack intermediate solid oxide fuel cell IT-SOFC.
