Skip to main content
SpringerLink
Log in

Surface-Related Effects Limiting the Performance of Solid Oxide Fuel Cell Cathodes

Leistungslimitierende Oberflächeneffekte von Festelektrolytbrennstoffzellenkathoden

  • Originalarbeit
  • Published:
BHM Berg- und Hüttenmännische Monatshefte Aims and scope Submit manuscript

Zusammenfassung

Die Sauerstoffaustauschkinetik der Kathodenmaterialien La0,6Sr0,4CoO3-δ (LSC) und La0,58Sr0,4Co0,2Fe0,8O3-δ (LSCF) für die Festelektrolytbrennstoffzelle (SOFC) wird anhand von in-situ Leitfähigkeitsrelaxationsexperimenten bei 600 °C untersucht. Der Einfluss von Silizium und Chrom auf den chemischen Oberflächenaustauschko Oberflächenaustauschkoeffizienten kchem und den chemischen Diffusionskoeffizienten von Sauerstoff Dchem wird in trockenen und feuchten Atmosphären im Zeitbereich von 1,000 h bestimmt. Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) zeigt, dass die Degradation mit Änderungen der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche einhergeht. Die Vergiftung mit Cr und/oder Si, sowie Sr-Anreicherung tritt je nach Vorbehandlung in Tiefenbereichen von 10–100 nm auf. Rasterelektronenmikroskopie (REM) deutet auf eine veränderte Oberflächentopographie der degradierten Proben hin. Basierend auf experimentellen sowie thermodynamischen Daten, kann H2O(g) als der auslösende Faktor für die Oberflächenvergiftung bestimmt werden. Sowohl Si als auch Cr bilden unter feuchten Bedingungen flüchtige gasförmige Spezies, welche mit LSC oder LSCF reagieren. Obwohl die Degradation auf eine dünne Oberflächenschicht beschränkt ist, bewirkt sie eine starke Abnahme der Sauerstoffaustauschaktivität der Kathodenmaterialien. Da weder Si noch Cr in nennenswertem Ausmaß bei 600–700 °C über eine trockene, oxidierende Gasphase transportiert werden, wäre die Verwendung von getrockneter Luft auf der Kathodenseite ein wichtiger Faktor um die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von SOFCs zu erhöhen.

Summary

The oxygen exchange kinetics of the solid oxide fuel cell (SOFC) cathode materials La0.6Sr0.4CoO3-δ (LSC) and La0.58Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF) is measured by in-situ conductivity relaxation experiments at 600 °C. The impact of silicon and chromium on the chemical surface exchange coefficient kchem and the chemical diffusion coefficient of oxygen Dchem is assessed in dry and humid atmospheres in the 1,000 h time scale. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) shows that the degradation goes along with changes of the chemical composition of the surface. Poisoning with Cr and/or Si, and Sr-enrichment occurs in 10–100 nm thick layers, depending on the pre-treatment. Scanning electron microscopy (SEM) reveals changes in the surface topography of the degraded specimen. Based on experimental evidence as well as on thermodynamic data, it can be concluded that the surface poisoning is triggered by H2O(g). Both Si and Cr form volatile gas phase species under humid conditions, which react with LSC or LSCF. Even though the degradation is confined to a thin surface layer, a strong decrease in the oxygen exchange activity of the cathode materials occurs. Since neither Si nor Cr are transported to a significant extent via a dry, oxidising gas phase at 600– 700 °C, the use of dried air at the cathode side would be an important factor to improve the durability and reliability of SOFCs.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Log in via an institution

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Institutional subscriptions

References

  • Encyclopedia of electrochemical power sources, ed. J. Garche. 2009, Amsterdam, The Netherlands: Esevier Ltd

  • Huang, K. and Goodenough, J.B.: Solid oxide fuel cell technology – Principles, performance and operations. 2009, Cambridge, UK: Woodhead Publishing Limited

    Book  Google Scholar 

  • Gauckler, L.J., Beckel, D. ,Buergler, B.E., Jud, E. Muecke, U.P. Prestat, M., Rupp J.L.M. and Richter, J. Chimia 58 (2004), P. 837–850

    Article  Google Scholar 

  • Menzler, N.H., Tietz, F., Uhlenbruck, S., Buchkremer, H.P. and Stöver D.: Journal of Materials Science 45 (2010) 12, P. 3109–3135

    Article  Google Scholar 

  • Tsipis, E.V. and Kharton, V.V.: Journal of Solid State Electrochemistry 12 (2008), P. 1039–1060

    Article  Google Scholar 

  • Tsipis, E.V. and Kharton, V.V.: Journal of Solid State Electrochemistry 12 (2008), P. 1367–1391

  • Yokokawa, H.: Handbook of Fuel Cells – Fundamentals, Technology and Applications, W. Vielstich, H. Yokokawa and H.A. Gasteiger, Editors. 2009, John Wiley & Sons, Ltd., P. 923–932

  • Weber, A.: Encyclopedia of Electrochemical Power Sources, J. Garche, et al., Editors. 2009, Elsevier B.V: Amsterdam, The Netherlands, P. 120–134

  • Sun, C., Hui, R. and Roller, J.: Journal of Solid State Electrochemistry 14 (2010) 7, P. 1125–1144

    Article  Google Scholar 

  • Bucher, E., Sitte, W., Caraman, G.B., Cherepanov, V.A., Aksenova, T.V. and Ananyev, M.V.: Solid State Ionics 177 (2006), P. 3109–3115

    Article  Google Scholar 

  • Bucher, E. and Sitte, W.: Solid State Ionics 173 (2004), P. 23–28

    Article  Google Scholar 

  • Egger, A., Bucher, E. and Sitte, W.: Journal of the Electrochemical Society 158 (2011) 5, B573-B579

    Article  Google Scholar 

  • Bucher, E. and Sitte, W.: Solid State Ionics 192 (2011), P. 480–482

    Article  Google Scholar 

  • Januschewsky, J., Ahrens, M., Opitz, A., Kubel, F. and Fleig, J.: Advanced Functional Materials 19 (2009) 19, P. 3151–3156

    Article  Google Scholar 

  • Bucher, E., Sitte, W., Klauser, F. and Bertel, E.: Solid State Ionics 191 (2011) P. 61–67

    Article  Google Scholar 

  • Yang, M., Bucher, E. and Sitte W.: Journal of Power Sources 196 (2011), P. 7313–7317

    Article  Google Scholar 

  • Bucher, E., Sitte, W., Klauser, F. and Bertel, E.: Solid State Ionics (2011) submitted

  • Bucher, E., Yang, M. and Sitte W,: Proc. 12th Intern. Symp. Solid Oxide Fuel Cells (SOFC-XII). 2011. Montréal, Canada: The Electrochemical Society, Pennington, USA

  • Bucher, E. and Sitte, W.: Journal of the Electrochemical Society (2011) in preparation

  • Lide, D.R.: CRC Handbook of Chemistry and Physics. 76th ed., 1995–1996, Boca Raton, Florida: CRC Press Inc

  • Preis, W., E. Bucher, and W. Sitte: Solid State Ionics 175 (2004), P.393–397

    Article  Google Scholar 

  • den Otter, M.W., Bouwmeester, H.J.M., Boukamp B.A. and Verweij, H.: Journal of the Electrochemical Society 148 (2001) 2, J1-J6

    Article  Google Scholar 

  • Kubicek, M., Limbeck, A., Frömling, T., Hutter H. and Fleig, J.: Proc. 12th Intern. Symp. Solid Oxide Fuel Cells (SOFC-XII). 2011. Montréal, Canada: The Electrochemical Society, Pennington, USA

  • van der Heide, P.A.W.: Surface and Interface Analysis 33 (2002) 5, P.414–425

    Article  Google Scholar 

  • Simner, S.P., Anderson, M.D., Engelhard, M.H. and Stevenson J.W.: Electrochemical and Solid-State Letters 9 (2006) 10, A478-A481

    Article  Google Scholar 

  • FactSage® 6.1, 1976–2009 Thermfact and GTT Technologies

  • Liu, R.-R., Shiratori, Y., Oshima, T. and Sasaki, K.: Proc. 9th European Solid Oxide Fuel Cell Forum. 2010. Lucerne, Switzerland: European Fuel Cell Forum 2010, Oberrohrdorf, Switzerland

  • Schuler, J.A., Gehrig, C. Wuillemin, Z., Schuler, A.J., Wochele, J., Ludwig, C., Hessler-Wyser, A. and Van herle, J.: Proc. 9th European Solid Oxide Fuel Cell Forum. 2010. Lucerne, Switzerland: European Fuel Cell Forum 2010, Oberrohrdorf, Switzerland

  • Jacobson, N.S., Opila E.J., Myers, D.L. and Copland, E.H.: Journal of Chemical Thermodynamics 37 (2005) 10, P. 1130–1137

    Article  Google Scholar 

  • Opila, E.J., Jacobson, N.S., Myers, D.L. and Copland, E.H.: JOM 58 (2006) 1, P. 22–28

    Article  Google Scholar 

  • Opila, E.J., Myers, D.L., Jacobson, N.S., Nielsen, I.M.B., Johnson, D.F., Olminsky, J.K. and Allendorf, M.D.: The Journal of Physical Chemistry A 111 (2007) 10, P. 1971–1980

    Article  Google Scholar 

Download references

Author information

Authors and Affiliations

  1. Lehrstuhl für Physikalische Chemie, Montanuniversität Leoben, Leoben, Austria

    Edith Bucher

Authors
  1. Edith Bucher
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

Corresponding author

Correspondence to Edith Bucher.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Cite this article

Bucher, E. Surface-Related Effects Limiting the Performance of Solid Oxide Fuel Cell Cathodes. Berg Huettenmaenn Monatsh 156, 423–428 (2011). https://doi.org/10.1007/s00501-011-0030-3

Download citation

  • Received:

  • Accepted:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00501-011-0030-3

Keywords

Search

Navigation