Intermediate Temperature Fuel Cells Based on Ceramic Proton Conducting Electrolytes

• Unité de recherche: OFEN
• Numéro de projet: 100411

Mots-clé (Allemand)

TP0076;F-Brennstoffzellen

Description succincte (Allemand)

Intermediate Temperature Fuel Cells Based on Ceramic Proton Conducting Electrolytes

Rapport final (Anglais)

Solid oxide proton conductors can offer a new intermediate temperature fuel cell technology combining the advantages of polymeric fuel cells and solid oxide fuel cells. Among potential proton conductor materials, Y-doped barium zirconate (BZY) was found to be a promising candidate. This material was synthesised and characterised at Empa. The synthesis study shows the possibility to use up scalable methods to produce BZY. It was demonstrated that BZY can take up protons and that the protons are the mobile charge carriers that dominate the conductivity. The conductivity of the grain interior (log σ ~ -3 S.cm-1 at 300°C) competes with the conductivity of the best proton conductors. A correlation between the bulk conductivity and the cubic lattice parameter was observed. It was found that controlling the lattice parameter during the synthesis enable to tune the conductivity. The total conductivity of the test material was found to be dominated by the large resistive grain boundary contribution. Neither a clear microstructure/conductivity relationship could be identified nor could be found a blocking secondary phase. Only an exceptional thermal treatment (annealing up to 2200°C) showed an improvement of the grain boundary conductivity. A first interpretation presumes an electronic effect arising from the shearing of crystallographic planes that depresses either the proton concentration or the proton mobility in the vicinity of the grain boundaries (i.e. in the so called “space charge region”). Consequences for the further development of BZY for fuel cell application are discussed.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EMPA

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Duval,Sophie
Holtappels,Peter

Documents annexés

• Intermediate Temperature Fuel Cells Based on Proton Conducting Electrolytes - Final report [PDF] 843 kB

Rapport final (Français)

Les oxydes conducteurs du proton ouvrent une nouvelle voie dans le développement de piles à combustible. Fonctionnant à des températures intermédiaires, ils peuvent allier les avantages des piles à combustible à électrolytes polymères et électrolytes oxydes. Parmi les matériaux potentiels, les zirconates de baryum dopé à l´yttrium (BZY) sont prometteurs. Ce matériau a été synthétisé et caractérisé à l´Empa. La synthèse peut être réalisée par des méthodes à grande échelle. Il a aussi été démontré que BZY incorpore des protons et que la diffusion des protons est à l´origine de la conductivité. La conductivité du grain (log σ ~ -3 S.cm-1 à 300°C) rivalise avec celle des meilleurs conducteurs du proton. Cependant, une corrélation entre le paramètre de maille et la conductivité a été observée. Contrôler le paramètre de maille pendant la synthèse permet d´ajuster la conductivité. La conductivité des échantillons testés est dominée largement par la contribution résistive des joints de grains. Aucune relation entre la microstructure et la conductivité n’a été identifiée et aucune seconde phase bloquante n´est visible dans les joints de grains. Seul un traitement thermique à très haute température (~ 2200°C) a permis d´améliorer la conductivité des joints de grain. L´interprétation préliminaire des résultats indique qu´un effet électronique provenant du cisaillement des plans cristallographiques réduit la concentration ou la mobilité des protons au voisinage des joints de grain (appelé « zone de charge d´espace »). Quelques propositions sont émises sur le développement futur de BZY pour des applications « pile à combustible ».

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EMPA

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Duval,Sophie
Holtappels,Peter