Development and characterization of solid oxide electrolysis cells based on zirconia and ceria based electrolyte for hydrogen production from steam

การพัฒนาและการวิเคราะห์คุณลักษณะของเซลล์อิเล็กโทรไลซิสแบบออกไซด์ของแข็ง ที่ใช้อิเล็กโทรไลต์ชนิดซีเรียและเซอร์โคเนียเป็นฐานสำหรับผลิตไฮโดรเจนจากไอน้ำ

Name: Parintorn Temluxame

LCSH: Electrolysis

LCSH: Electrolytic cells

LCSH: Solid oxide fuel cells

LCSH: Hydrogen

Abstract: Steam electrolysis for hydrogen production is investigated in solid oxide electrolysis cell (SOEC). Sc3+, Ce4+, and Gd3+ are doped in zirconia (SCGZ) and compared with yttria stabilized zirconia (YSZ) and gadolinium doped ceria (GDC) electrolyte. Electrolyte-supported cells are fabricated. The SCGZ and YSZ electrolytes are dense with >95% relative density while GDC is less densified. The activation energy of conduction of the SCGZ electrolyte is the lowest at 65.58 kJ mol-1 although phase transformation is detected after electrolyte fabrication process. Cathode-supported cell having SCGZ electrolyte (Ni-SCGZ/SCGZ/BSCF) shows the highest electrochemical performance. Durability test of the cells in electrolysis mode is carried out over 60 h (0.3 A cm-2, 800 °C, H2O to H2 ratio of 70:30). Significant performance degradation of Ni-GDC/YSZ/GDC/BSCF cell is observed (0.0057 V h-1) whereas the performance of Ni-YSZ/YSZ/BSCF and Ni-SCGZ/SCGZ/BSCF are rather stable under the same operating conditions. The BSCF remains attaching to the SCGZ electrolyte and additional phase transformation is not observed after prolong operation. However, stabilization of high conducting cubic phase by adding 1-2 mol% of Bi2O3 in SCGZ is also investigated. Bi2O3 is found to act as both phase stabilizer and sintering aid. In addition, the ionic conductivity of the electrolyte is also improved with adding Bi2O3.

Abstract: งานวิจัยนี้ศึกษาการแยกสลายโมกุลไอน้ำด้วยไฟฟ้าสำหรับการผลิตไฮโดรเจนในเซลล์อิเล็กโทรไลซิสแบบออกไซด์ของแข็ง (SOEC) สแกนเดียมไอออน ซีเรียมไอออน และแกโดลิเนียมไอออนถูกเจือลงในเซอร์โคเนีย (SCGZ) และเปรียบเทียบกับอิเล็กโทรไลต์ชนิดเซอร์โคเนียเจือด้วยอิตเทรียม (YSZ) และซีเรียเจือด้วยแกโดลิเนียม (GDC) เซลล์ชนิดที่มีอิเล็กโทรไลต์เป็นฐานถูกเตรียมขึ้น อิเล็กโทรไลต์ชนิด SCGZ และ YSZ มีความหนาแน่นสูง โดยมีค่าความหนาแน่นสัมพัทธ์มากกว่า 95% ในขณะที่ GDC มีความหนาแน่นน้อยกว่า ค่าพลังงานก่อกัมมันต์ของการนำของ SCGZ มีค่าต่ำที่สุดที่ 65.58 กิโลจูลต่อโมล แต่อย่างไรก็ตามการเปลี่ยนแปลงเฟสจะถูกตรวจพบภายหลังขั้นตอนการสังเคราะห์อิเล็กโทรไลต์ชนิดนี้ เซลล์ชนิดที่มีขั้วแคโทดเป็นฐานที่ประกอบด้วย SCGZ เป็นอิเล็กโทรไลต์ (Ni-SCGZ/SCGZ/BSCF) แสดงความสามารถทางไฟฟ้าเคมีที่สูงที่สุด ทำการทดสอบความทนทานของเซลล์ในระบบอิเล็กโทรไลซิสเป็นเวลา 60 ชั่วโมง (ที่กระแสไฟฟ้า 0.3 แอมป์ต่อตารางเซนติเมตร อุณหภูมิ 800 องศาเซลเซียส และอัตราส่วนไอน้ำต่อไฮโดรเจนเท่ากับ 70:30) เซลล์ Ni-GDC/YSZ/GDC/BSCF เสื่อมความสามารถอย่างรวดเร็ว (0.0057 โวลต์ต่อชั่วโมง) ในขณะที่ความสามารถของเซลล์ชนิด Ni-YSZ/YSZ/BSCF และ Ni-SCGZ/SCGZ/BSCF ค่อนข้างเสถียรภายใต้สภาวะปฏิบัติการเดียวกัน ขั้ว BSCF ยังคงยึดติดกับอิเล็กโทรไลต์ชนิด SCGZ และไม่พบการเปลี่ยนแปลงเฟสเพิ่มเติมภายหลังการทดสอบ แต่อย่างไรก็ตามการคงเสถียรภาพของเฟสชนิดคิวบิคซึ่งเป็นเฟสที่มีค่าการนำสูงใน SCGZ ด้วยการเติม 1-2% โดยโมลของบิสมัทออกไซด์ลงใน SCGZ ได้ถูกตรวจสอบ โดยพบว่าบิสมัทออกไซด์ประพฤติตัวเป็นทั้งสารที่เพิ่มความเสถียรภาพของเฟสและสารที่ช่วยในการเผาผนึกอิเล็กโทรไลต์ นอกจากนี้ค่าการนำไอออนของอิเล็กโทรไลต์ยังได้รับการปรับปรุงด้วยการเติมบิสมัทออกไซด์อีกด้วย

Chulalongkorn University. Office of Academic Resources

Address: BANGKOK

Email: cuir@car.chula.ac.th

Name: Pattaraporn Kim

Role: advisor

Created: 2019

Modified: 2024-11-11

Issued: 2024-11-11

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Master of Engineering

Level: Master's Degree

Descipline: Chemical Engineering

Grantor: Chulalongkorn University

©copyrights Chulalongkorn University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	6170209121[1].pdf	5.02 MB

ใช้เวลา

0.027059 วินาที