Development of Bi2O3 based-electrolytes for low-temperature SOFC applications

Abstract

Katı oksit yakıt hücreleri (KOYH) bilinen avantajlarına rağmen, piyasaya sürülebilmeleri için halen bazı problemlerinin çözülmesi gerekmektedir. En büyük sorun bu cihazların yüksek sıcaklıklarda (~800 °C) çalışmalarıdır. Bu sıcaklıklarda KOYH bileşenleri zamanla mikroyapısal ve kimyasal bozunmalara uğrar ve bu sebeple performans kaybı meydana gelir. Performans kaybını önlemek için KOYH sisteminin çalışma sıcaklığını düşürmek 650 °C'nin altına düşürmek en temel yaklaşım olarak karşımıza çıkmaktadır. Yüksek iyonik iletkenlikleri sebebiyle katkılanmış bizmut oksit seramikleri düşük sıcaklıkta çalışan KOYH elektrolitleri için gayet uygun malzemelerdir. Fakat, hedeflenen çalışma sıcaklıklarında yüksek iyonik iletkenlik gösteren kübik-? fazının kararlılığı tartışmalıdır. Bu çalışmada, molce %28 Y2O3 ile katkılanmış Bi2O3 (YKB)'nin üretim şartlarının faz ve elektriksel iletkenlik kararlılığı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Sinterleme sıcaklığının faz ve elektriksel iletkenlik kararlılığı üzerinde büyük bir etkisi olduğu görülmüştür. Örneğin, 800 °C'de sinterlenmiş YKB seramikleri, 650 °C'de 100 saat ısıl işleme tabi tutulduklarında elektriksel iletkenliklerinde eksponansiyel tipte, hızlı bir düşüş göstermişlerdir. Bu düşüşe kübik fazdan rombohedral faza dönüşüm eşlik etmiştir. Diğer yandan, yüksek sıcaklıkta (900-1100 °C) sinterlenmiş YKB seramikleri aynı şartlar altında doğrusal tipte ve daha yavaş bir iletkenlik kaybı göstermişlerdir. Fakat, bu seramiklerde bir faz dönüşümü saptanamamıştır. Aradaki bu farkın, 800 °C'de sinterlenmiş YKB seramiklerinde daha yüksek sıcaklıklarda sinterlenmiş numunelere göre daha yüksek miktarda yarı-kararlı kübik-? fazı bulunması olduğu öne sürülmüştür. Uygulama açısından bakıldığında, üretim masraflarını düşürmek için geleneksel yaklaşım olan sinterleme sıcaklığının düşürülmesinin, YKB elektrolitlerinde düşük kararlılığa sebep olduğu tespit edilmiştir.Despite obvious advantages of solid oxide fuel cells (SOFCs), they have some problems that need to be addressed for their commercialization. The major issue is that high operating temperatures (~800 °C) cause performance loss due to microstructural and chemical degradation with time. In order to overcome the performance loss, lowering the operating temperatures of SOFCs down to below 650 °C is the straightforward approach. Doped bismuth oxide ceramics are quite promising for low temperature SOFC electrolyte applications due to their extremely high ionic conductivity. However, the stability of its fast-ionic conductor phase (cubic-?) at this targeted operating temperature is questionable. In this work, the effects of the fabrication conditions of 28 mol% Y2O3 doped Bi2O3 (YDB) on the phase and electrical conductivity stability was investigated. It was shown that the sintering temperature greatly affects the phase and electrical conductivity stability. For example, YDB ceramics sintered at 800 °C exhibited a fast, exponential-type conductivity decay with a concomitant cubic to rhombohedral phase transformation upon a 100-hour exposure to 650 °C. Conversely, all the YDB ceramics sintered at higher temperatures (900-1100 °C) experienced a slower, linear conductivity decay under the same conditions, but with no observable phase transformation. This difference was connected to the higher amount of metastable cubic-? phase present in YDB sintered at 800 °C than those sintered at higher temperatures. Practically, it was suggested that for SOFC applications, the conventional approach of lowering the sintering temperature to reduce the manufacturing costs would result in poor stability in YDB electrolytes.