Research

 

Síntesis y caracterización de la doble perovskita BaSrCoFe_1–xNi_xO_5.5 como cátodo para celdas SOFC

 

J. Alvarado-Flores^a, L. Ávalos-Rodríguez^a, G. Viramontes-Gamboa^b y A. Reyes-Rojas^c

 

^a Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Facultad de Ingeniería Eléctrica, Santiago Tapia 403. Morelia, Michoacán, México.

^b Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Facultad Ciencias Físico-Matemáticas, Santiago Tapia 403, Morelia, Michoacán, México.

^c Centro de Investigación en Materiales Avanzados S.C. (CIMAV), Laboratorio Nacional de Nanotecnología, Miguel de Cervantes 120, Complejo Industrial Chihuahua, Cd. de Chihuahua, Chihuahua, México.

 

Received 12 November 2012
Accepted 6 February 2013

 

Resumen

Se han sintetizado a través del método sol-gel y caracterizado por difracción de rayos X (DRX), conductividad eléctrica y coeficiente de expansión térmica (TEC), nuevos compósitos del material BaSrCoFe₁__xNi_xO_5.5 (tipo doble perovskita) con la adición de Ni en solución sólida Ni_x (x = 0.025,0.05,0.075,0.1 y 0.2), como cátodos alternativos para celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (SOFC-IT). Se confirma por DRX la formación de la fase perovskita de estructura tetragonal BaSrCoFe₁__xNi_xO_5.5 con la presencia de pequeños máximos identificados en valores 2θ inferiores a 30° como BaCO₃ y CoFe2O. La conductividad eléctrica aumenta con la temperatura entre 350-470°C y entonces disminuye debido a la pérdida de oxígeno en la red lo cual causa las diferencias en la conductividad. Se obtuvo un comportamiento semiconductor en todas las composiciones. La determinacioón del TEC, mostró una dependencia lineal inversamente proporcional a la concentración de Ni. Nuestros resultados de conductividad eléctrica y TEC nos conducen a la conclusión de que los cátodos entre 0.1 y 0.2 de Ni tienen la mayor posibilidad para aplicarse en las celdas SOFC-IT.

Descriptores: Materiales compósitos; sol-gel; conductividad eléctrica; celda de combustible de óxido solido (SOFC).

 

Abstract

Have been synthesized via sol-gel method and characterized by X-ray diffraction (XRD), electrical conductivity and thermal expansion coefficient (TEC), new material composites BaSrCoFe₁__xNi_xO₅.₅ (double perovskite type) with the addition of Ni in solid solution Ni_x (x = 0.025, 0.05, 0.075, 0.1 and 0.2), as alternative cathodes for solid oxide fuel cells of intermediate temperature (SOFC-IT). XRD confirmed the formation of the tetragonal structure perovskite phase BaSrCoFe₁__xNi_xO₅.₅ , with the presence of small peaks identified in 2θ values below 30° as BaCO₃ and CoFe₂O₄. The electrical conductivity increases with temperature between 350-470° C and then decreases due to the loss ofoxygen in the net, which causes differences in conductivity. Semiconductor behavior was obtained in all compositions. TEC determination, showed a linear dependence inversely proportional to the concentration of Ni. Our results of electrical conductivity and TEC, lead us to the conclusion that the cathodes between 0.1 and 0.2 Ni, have the greatest possibility for application in IT-SOFC.

Keywords: Composite material; sol-gel; electrical conductivity; solid oxide fuel cells (SOFC).

 

PACS: 82.47.Ed; 81.20.Fw; 61.82.Fk

 

DESCARGAR ARTÍCULO EN FORMATO PDF

 

Referencias

1. B.C. H. Steel y Heinzel, Nature 414 (2001) 345-352.         [ Links ]

2. Hengyong Tu, Ulrich Stimming. Journal of power sources 127 (2004) 284-293.         [ Links ]

3. Mette Juhl Jorgensen, Lanthanum manganate based cathodes for solid oxid fuel cells, reporte de Materials Research Department Riso National Laboratory, (Denmark, 2001).         [ Links ]

4. B.C.H. Steele y A. Heinzel, Nature 414 (2001) 345        [ Links ]

5. N.Q. Minh y T. Takahashi, Science and Technology of Ceramic Fuel Cells (Elsevier Science B.V., 1995).         [ Links ]

6. M.J.L. Ostergard, C. Clausen, C. Bagger, y M. Mogensen, Electrochem. Acta 40 (1995) 1971.         [ Links ]

7. J. Van Herle, A.J. McEvoy, y K.R. Thampi, Electrochem. Acta 41 (1996) 1447.         [ Links ]

8. C.W. Tanner, K.Z. Fung, y A.V. Virkar, J. Electrochem. Soc. 144 (1997)21.         [ Links ]

9. J.P.P. Huijsmans, F.P.F. van Berkel, y G.M. Christie, J. Power Sources 71 (1998) 107.         [ Links ]

10. T. Tsai y S.A. Barnett, Solid State Ionics 93 (1997) 207.         [ Links ]

11 . N. P. Brandon, S. Skinner y B. C. H. Steele, Annu. Rev.Mater. Res. 33 (2003) 183-213.         [ Links ]

12. S. Charojrochkul, K.L. Choy y B.C.H. Steele, Solid State Ionics 121 (1999) 107-113.         [ Links ]

13. N.T. Hart, N.P. Brandon, M.J. Day y N. Lapena-Rey, JPowder Sources 106 (2002) 42-50.         [ Links ]

14. P. Charpentier, P. Fragnaud, D.M. Schleich y E. Gehain, Solid State Ionics 135 (2000) 373-380.         [ Links ]

15. V. Dusastre y J.A. Kilner, Solid State Ionics 126 (1999) 163-174.         [ Links ]

16. Z.P. Shao y S.M. Haile, Nature 431 (2004) 170-174.         [ Links ]

17. Q.L. Liu, K.A. Khor y S.H. Chan, J. Power Sources 161 (2006) 123-128.         [ Links ]

18. J. Pena-Martinez, D. Marrero-Lopez, J.C. Ruíz-Morales, B.E. Buergler, P. Nunez y L.J. Gauckler, J. Power Sources 159 (2006)914-921.         [ Links ]

19. J. Pena-Martinez, D. Marrero-Lopez, J.C. Ruíz-Morales, B.E. Buergler, P. Nunez y L.J. Gauckler, Solid State Ionics 177 (2006) 2143-2147.         [ Links ]

20. Y.S. Wang, S.R. Wang, Z.R. Wang, T.L. Weny Z.Y. Wen, J. Alloys Compd. 428 (2007) 286-289.         [ Links ]

21. S. Mcintosh, J.F. Vente, W.G. Haije, D.H.A. Blank y H.J.M. Bouwmeester, Chem. Mater. 18 (2006) 2187-2193.         [ Links ]

22. Z.P. Shao y S.M. Halle, Nature 431 (2004) 170-173.         [ Links ]

23. B. Wei, Z. Lu, S.Y. Li, Y.Q Liu, K.Y. Liu y W.H. Su, Electrochem. Solid State Lett. 8 (2005) A428-A431.         [ Links ]

24. Haihui Wang, Rong. Wang, David Tee Liang y Weishen Yang, J. Membr. Sci. 243 (2004) 405-415.         [ Links ]

25 . Liang Tan, Xuehong Gu, Li. Yang, Wanqin Jin, Lixiong Zhang y Nanping Xu, J. Membr. Sci. 212 (2003) 157-165.         [ Links ]

26. S. Primdahl y M. Mogensen, Solid State Ionics 152-153 (2002) 597.         [ Links ]

27. C. C. Koch y J. D. Whittenberge, Intermetallics. 4 (1996) 339-355.         [ Links ]

28. R. Reisfeld y T. Saraidarov, Optical Materials 28 (2006) 64-70.         [ Links ]

29. L.J. Van der Pauw, Philips Res. Rep. 13 (1958) 1.         [ Links ]

30. H. Zhao et al., Journal of Power Sources 182 (2008) 503-509.         [ Links ]

31. H Patra, SK Rout, SK Pratihar, y S. Bhattacharya, Power Technology 209 (2011)98-104.         [ Links ]

32. SG Lee, YH Lim, EA Lee, H. Hwang, y J-W. Moonb. Journal of Power Sources 157 (2006) 848-54.         [ Links ]

33. M. Liu, R. Wang, D.F. Li, y D.T. Liang, Materials Chemistry Physics 102 (2007) 132-9.         [ Links ]

34. WH. Yuan, X.F. Hu, y L. Li, Journal of Natural Gas Chemistry 15 (2006) 58-62.         [ Links ]

35. Zhou W et al., Electrochim Acta 53 (2008) 4370-80.         [ Links ]

36. Xiao-Feng Ye, S.R.Wang, Z.R.Wang, Q. Hu, X.F. Sun, T.L.Wen, y Z.Y.Wen. J. Power Sources 183 (2008) 512-517.         [ Links ]

37. S. P. Jiang, L. Liu, K. P. Ong, P. Wu, y J. Li, J. Pu. J. Power Sources. 176 (2008) 82-89.         [ Links ]

38. J. Larminie y A. Dicks, (Fuel Cell Systems Explained, Wiley, 2000).         [ Links ]

39. C. Xia, F. Chen, y M. Liu, Reduced-temperature solid oxide fuel cells fabricated by screen printing, Electrochem. Solid-State Lett. 4 (2001) A52-A54.         [ Links ]

40. V.V. Kharton et al., J. Mater. Sci. 36 (2001) 1105-1117.         [ Links ]

41. D. Li, W. Liu, H. Zhang, G. Jiang, y C. Chen, Mater. Lett. 58 (2004) 1561-1564.         [ Links ]

42. S. Li, Journal of Alloys and Compounds 426 (2006) 408-414.         [ Links ]

43. A. Atkinson et al., J. Vohs. Nature Materials. 3 (2004) 17-27.         [ Links ]

44. B. Wei, Z. Lu, S.Y. Li, Y.Q. Liu, K.Y. Liu, y W.H. Su, Electrochem. Solid-State Lett. 8 (2005) A42-A431        [ Links ]

45. S.Y. Li, Z. Lu, B.Wei, X.Q. Huang, J.P. Miao, G. Cao, R.B. Zhu, y W.H. Su, J. Alloys Compd. 426 (2006) 40-414.         [ Links ]

46. B. Wei, Z. Lu, X.Q. Huang, J.P. Miao, X.Q. Sha, X.S. Xin, y W.H. Su, J. Eur. Ceram. Soc. 26 (2006) 282-2832.         [ Links ]

47. S.I. Hashimoto, K.T. Kammer, P.H. Larsen, F.W. Poulsen, y M.G. Mogensen, Solid State Ionics 176 (2005) 101-1020.         [ Links ]

48. S.J. Skinner y J.A. Kilner, Solid State Ionics 135 (2000) 709-712.         [ Links ]

49. H.J.M. Bouwmeester, M.W. Den Otter, y B.A. Boukamp, J. Solid State Electrochem. 8 (2004) 599-605.         [ Links ]

50. I.D. Brown, Acta Crystallogr. B53 (1997) 381-393.         [ Links ]

51. B.Wei, Z. Lu, X. Huang, M. Liu, N. Li, y W. Su, J. Power Sources 176 (2008) 1-8.         [ Links ]

52. J.W. Stevenson, T.R. Armstrong, R.D. Carneim, L.R. Pederson, y W.J.Weber, J. Electrochem. Soc. 143 (1996) 2722-2729.         [ Links ]

53. J.B. Goodenough, J. Appl. Phys. 37 (1966) 1415-1422.         [ Links ]

54. C.Y. Huang y T.J. Huang, J. Mater. Sci. 37 (2002) 4581-4587.         [ Links ]

55. L.W. Tai, M.M. Nasrallah, H.U. Anderson, D.M. Sparlin, y S.R. Sehlin, Solid State Ionics 76 (1995) 259-271.         [ Links ]

56. L.W. Tai, M.M. Nasrallah, H.U. Anderson, D.M. Sparlin, y S.R. Sehlin, Solid State Ionics 76 (1995) 273-283.         [ Links ]

57. S.J. Skinner, Int J Inorg Mater 3 (2001) 113.         [ Links ]