Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio (Aug 2008)
Potential electrode materials for symmetrical Solid Oxide Fuel Cells
Abstract
Chromites, titanates and Pt-YSZ-CeO<sub>2</sub> cermets have been investigated as potential electrode materials for an alternative concept of Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), the symmetrical SOFCs (SFC). In this configuration, the same electrode material is used simultaneously as anode and cathode. Interconnector materials, such as chromites, could be considered as potential SFC electrodes, at least under pure hydrogen-fed at relatively high temperatures, as they do not exhibit significant catalytic activity towards hydrocarbon oxidation. This may be overcome by partially substituting Cr in the perovskite B-sites by other transition metal cations such as Mn. La<sub>0.75</sub>Sr<sub>0.25</sub>Cr<sub>0.5</sub>Mn<sub>0.5</sub>O<sub>3-δ</sub> (LSCM) is a good candidate for such SFCs, rendering fuel cell performances in excess of 500 and 300mW/cm<sup>2</sup> using pure H<sub>2</sub> and CH<sub>4</sub> as fuel, at 950 <sup>o</sup>C. Similarly, typical n-type electronic conductors traditionally regarded as anode materials, such as strontium titanates, may also operate under oxidising conditions as cathodes by substituting some Ti content for Fe to introduce p-type conductivity. Preliminary electrochemical experiments on La<sub>4</sub>Sr<sub>8</sub>Ti<sub>12-x</sub>Fe<sub>x</sub>O<sub>38-δ</sub>-based SFCs show that they perform reasonably well under humidified H<sub>2</sub>, at high temperatures. A third group of materials is the support material of any typical cermet anode, i.e. YSZ, CeO<sub>2</sub> plus a current collector. It has been found that this combination could be optimised to operate as SFC electrodes, rendering performances of 400mW/cm<sup>2</sup> under humidified pure H<sub>2</sub> at 950<sup>o</sup>C.<br><br>Cromitas, titanatos y cermets de Pt-YSZ-CeO<sub>2</sub> han sido investigados como potenciales materiales de electrodo para un concepto alternativo de Pilas de Combustible de Óxidos Sólidos (SOFC), las pilas SOFC simétricas (SFC). En esta configuración, el mismo material de electrodo se utiliza simultáneamente como ánodo y cátodo. Materiales utilizados de interconector, como las cromitas, podrían ser considerados como potenciales electrodos SFC, al menos con hidrógeno puro como combustible y a temperaturas relativamente elevadas, debido a que no presentan una actividad catalítica relevante hacia la oxidación de hidrocarburos. Esto puede ser superado mediante la sustitución parcial del Cr, en el sitio B de la perovskita, por otro metal de transición como Mn. La<sub>0.75</sub>Sr<sub>0.25</sub>Cr<sub>0.5</sub>Mn<sub>0.5</sub>O<sub>3-δ</sub> (LSCM) es un buen candidato para SFCs, generando rendimientos superiores a 500 y 300mW/cm<sup>2</sup> empleando hidrógeno y metano puro como combustibles, respectivamente, a 950 <sup>o</sup>C. De igual manera, conductores electrónicos comunes, tipo-n, tradicionalmente considerados como materiales de ánodo, como los titanatos de estroncio, podrían también funcionar bajo condiciones oxidantes como cátodos, substituyendo parte del contenido en Ti por Fe para introducir conductividad tipo-p. Estudios electroquímicos preliminares en SFCs basadas en La<sub>4</sub>Sr<sub>8</sub>Ti<sub>12-x</sub>Fe<sub>x</sub>O<sub>38-δ</sub> muestran que pueden funcionar razonablemente bien bajo hidrógeno húmedo a alta temperatura. Un tercer grupo de materiales lo constituye la base típica de cualquier material cermet de ánodo, esto es YSZ, CeO<sub>2</sub> más un colector de corriente. Se ha encontrado que esta combinación puede ser optimizada para funcionar como electrodo SFC, dando lugar a rendimientos del orden de 400mW/cm<sup>2</sup> en hidrógeno puro húmedo a 950<sup>o</sup>C.
