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

Patthiya Prasopchokkul

dc.contributor.advisor	Pattaraporn Kim
dc.contributor.author	Patthiya Prasopchokkul
dc.contributor.other	Chulalongkorn University. Faculty of Engineering
dc.date.accessioned	2022-07-23T05:12:49Z
dc.date.available	2022-07-23T05:12:49Z
dc.date.issued	2019
dc.identifier.uri	http://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/80029
dc.description	Thesis (M.Eng.)--Chulalongkorn University, 2019
dc.description.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.
dc.description.abstractalternative	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
dc.language.iso	en
dc.publisher	Chulalongkorn University
dc.relation.uri	http://doi.org/10.58837/CHULA.THE.2019.78
dc.rights	Chulalongkorn University
dc.subject.classification	Chemical Engineering
dc.subject.classification	Energy
dc.subject.classification	Materials Science
dc.subject.classification	Materials Science
dc.subject.classification	Energy
dc.title	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
dc.title.alternative	การเตรียมขั้วแอโนดชนิดเพอรอฟสไกต์ Ba0.5Sr0.5(Co0.8Fe0.2)1-xTaxO3-δ สำหรับเซลล์อิเล็กโทรไลซิสแบบออกไซด์ของแข็งและการเปรียบเทียบความสามารถทางเคมีไฟฟ้าและความคงทนกับขั้วแอโนดพื้นฐาน
dc.type	Thesis
dc.degree.name	Master of Engineering
dc.degree.level	Master’s Degree
dc.degree.discipline	Chemical Engineering
dc.degree.grantor	Chulalongkorn University
dc.identifier.DOI	10.58837/CHULA.THE.2019.78