Ceria based cathodes for CO2 electrolysis in solid oxide cells

Abstract

Als alternative Treibstoffgewinnung für "Solid Oxide Fuel Cells" (SOFC) sowie zur Gewinnung von Gasen für chemische Reaktionen werden bereits "Solid Oxide Electrolyse Cells" (SOEC) eingesetzt. Diese haben den großen Vorteil kein weiteres CO2 zu produzieren, wie dies bei der Vergasung von Kohlenstoff unter einer Wasserdampfatmosphäre der Fall ist. Die Reduktion von CO2 geht jedoch mit der Möglichkeit einer Ablagerung von Kohlenstoff an den Elektroden einher. Das Ziel der Arbeit ist es die Nutzbarkeit von gemischt ionisch/elektronisch leitenden Cer0.9Gd0.1O1.95-Kathoden (GDC) auf YSZ-Elektrolyten mit LSCF-Anoden für kontinuierliche CO2-Elektrolyse zu testen. Weiters soll der Einfluss von Nickelpartikeln in den GDC-Kathoden sowie der Zusammenhang zwischen der inneren Oberfläche der porösen Elektroden und der Dünnschichtelektroden bestimmt werden. Die porösen Elektroden wurden auf polykristallinem YSZ-Substrat mit LSCF-Anoden mittels Siebdruckverfahren hergestellt und über Platinpartikel kontaktiert. Für die Dünnfilmelektroden wurde ein Einkristall-YSZ (100) als Substrat verwendet, die Arbeitselektrode mittels "Pulsed Laser Deposition" (PLD) aufgetragen und die Gegenelektrode über Siebdruck appliziert und gesintert. Über eine impedanzspektroskopische Charakterisierung der Dünnschichtelektroden stellte sich ein erheblich verringerter Polarisationswiderstand aufgrund einer Beschichtung mittels Nickelpartikeln auf der Oberfläche heraus. Dieser wurde später auch bei porösen Elektroden beobachtet. Durch Einzelmessungen der jeweiligen Elektrolysezellen wurde die Funktionalität der GDC- sowie Ni/GDC-Kathoden getestet und ein Leistungsvergleich der einzelnen Zellen durchgeführt. An der reinen GDC-Kathode mit einer Schichtdicke von 6,9m, wurde eine maximale Stromdichte von 1,5mA/cm2 bei 2V gemessen. Durch eine Dotierung von 10% Nickel und einer Schichtdicke von 4,8m konnte die Stromdichte auf 3,7mA/cm2 gesteigert werden, wodurch sich mehr als eine Verdoppelung ergab. Der Kohlenstoffmonoxid Produktionsstrom verhielt sich dabei dem elektrischen Strom entsprechend. Undotierte GDC-Kathoden lieferten einen CO-Volumenstrom von 0,32cm3/min während die 10% Nickel dotierten 0,65 cm3/min ergaben. Der Vergleich zwischen Dünnfilm und porösen Elektroden ergab einen deutlichen Unterschied der Stromdichten. Bei reinem GDC Dünnfilm konnten sehr hohe Ströme von 283 mA/cm2 gemessen werden. Gründe hierfür könnten in Degradationen der porösen Elektrode durch Verunreinigung liegen.

Solid oxide electrolysis cells are used for the creation of fuels for solid oxide fuel cells (SOFC) as well as gases for chemical reactions. The big advantage of the fuel production through fuel cells is the CO2 neutrality during the creation instead of the use of coal gasification with steam. A main problem we face here is the deposition of carbon on the electrodes, which has to be prevented to maintain the usability of the cell. The goal of this work is to test the usability of mixed ionic/electronic conducting Ce0.9Gd0.1O1.95 cathodes (GDC) on YSZ-electrolyte with LSCF-anodes for CO2 electrolysis. Furthermore, the influence of nickel particles in GDC cathodes was tested and the performance of porous electrodes and thin film electrodes were compared. Porous electrodes have been screen printed on polycrystalline YSZ substrates with LSCF as counter electrodes and platinum particles as connecting elements. The thin film electrodes are on yttrium stabilized zirconia single crystal (100) electrolytes. The GDC electrodes are applied by pulsed laser deposition (PLD) and the counter electrodes (LSCF) are screen-printed and sintered. By impedance spectroscopy, the polarisation resistances of all samples could be obtained. The introduction of nickel reduced the polarisation resistances for all samples. The functionality of the cells was tested by applying direct voltage on the cells. The performances of the cells were compared through the amount of gas produced as well as by the current applied during the measurement. For pure porous GDC-cathodes with a film thickness of 6,9m at a voltage of 2V, a maximum current density of 1,5mA/cm2 was obtained. The nickel doping of 10% increased the current density of the GDC layer (film thickness: 4,8m) at the same conditions to 3,75mA/cm2. The CO flow corresponds to the current density. In the process pure GDC produced 0,32 cm3/min of CO per minute while doped GDC generated 0,65 cm3/min. Both had a Faraday efficiency of about 87% during the measurement. The cells with thin film electrodes showed much better performance with current densities up to 283mA/cm2. Reasons for their better performance are possibly poisoning effects due to impurities in the porous electrodes.