Development of lanthanum chromites-based materials for solid oxide fuel cell interconnects

Abstract

Lanthanum chromites (LaCrO 3 ) are the main materials used as interconnect for solid oxide fuel cells. However, there are several difficulties involved in the processing of these materials. The objective of this work is to investigate and to characterize the relationships between microstructural development process and the electro-thermal-mechanical behavior of earth-alkaline metals doped lanthanum chromites-based ceramics. Calcium and strontium doped lanthanum chromites-based ceramic powders were produced by solution-based method from respective metallic nitrates. Samples were prepared by pressing and sintering procedures. The phase composition was evaluated by X-ray diffraction and densification level by Archimedes method. The microstructural characterization was made by scanning electron microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy and thermal analysis techniques. Electrical tests were used to evaluate the electrical conductivity of the samples, and thermal expansion coefficient was determined by dilatometric measurements. The obtained experimental results corroborate the literature comments concerning the difficulty of lanthanum chromite-based ceramics with high densification level and evidence the great influence of the nature of the dopants on the sintering mechanism and the microstructural and electric characteristics of the produced ceramics. The best ones results, in terms of densification and homogeneity characteristics, had been gotten through multiple doping with calcium and strontium, and in sintering temperature conditions lower that the normally considered to pure or mono-doped lanthanum chromite-based ceramics.

Desenvolvimento De Cerâmicos E Conjugados Metal-Cerâmica Para Células a Combustível De Óxido Sólido

“…Evidentemente, por um lado, os desenvolvimentos em materiais, incrementando a homogeneidade microestrutural desses sistemas, e, por outro lado, uma maior purificação dos gases combustíveis, podem, futuramente, minimizar as perdas relacionadas ao incremento da REA. Esta segunda alternativa é, em geral, de levado custo e o desenvolvimento de CaCOS mais tolerantes a contaminantes torna-se ainda mais importante [1,3,4,13]. Adicionalmente, o crescente interesse no desenvolvimento e emprego de condutores mistos poderá proporcionar condições de minimizar fortemente os valores de REA, incrementando sobremaneira o desempenho elétrico das CaCOS.…”

“…Contudo, como hidrogênio não é um combustível primário (sendo necessário produzi-lo a partir da conjugação de outros recursos materiais e energéticos), a classe das células a combustível de alta temperatura de operação apresenta, potencialmente, capacidade de operar com combustíveis hidrocarbônicos, incluindo alcoóis, seja mediante a reforma interna no anodo destas CaC ou seja pela oxidação direta desses combustíveis. (2,3) Além disso, quando são capazes de operar em altas temperaturas (geralmente na faixa de 600°C a 1.000°C) estas CaC são adequadas para aplicações em geração estacionária de energia em sistemas de cogeração e/ou operação em ciclo combinado e sistemas híbridos, resultando em significativo incremento das eficiências energética e elétrica destes geradores [1][2][3]. A célula a combustível de óxido sólido (CaCOS) tem sido considerada o principal tipo de CaC de alta temperatura de operação, estando atualmente em estágio pré-comercial, com grande e acelerado desenvolvimento de materiais e componentes, e apresentando boas perspectivas de posicionamentos nos mercados globais nos próximos anos, as quais dependerão fortemente das reais possibilidades de uso de diversos combustíveis hidrocarbônicos nas CaCOS [4,5].…”

“…A célula a combustível de óxido sólido (CaCOS) tem sido considerada o principal tipo de CaC de alta temperatura de operação, estando atualmente em estágio pré-comercial, com grande e acelerado desenvolvimento de materiais e componentes, e apresentando boas perspectivas de posicionamentos nos mercados globais nos próximos anos, as quais dependerão fortemente das reais possibilidades de uso de diversos combustíveis hidrocarbônicos nas CaCOS [4,5]. Como toda CaC, uma CaCOS também é constituída de pelo menos sete componentes básicos: alimentação de combustível, anodo, eletrólito (separando os dois eletrodos), catodo, alimentação do agente oxidante (normalmente ar) e dois interconectores, que possibilitam a conexão elétrica das CaCOS unitárias, formando um empilhamento (stack) de CaCOS [3]. Assim como as demais tecnologias de CaC, também as CaCOS podem utilizar o hidrogênio como combustível e o conjunto (ou conjugado) eletrodos-eletrólito (CEE) do estado da arte desta tecnologia foi essencialmente desenvolvido para uso deste combustível.…”

Electrochemical Determination of Gibbs Energy of Formation of LaCrO3 Using a Composition‐Graded Bielectrolyte

“…Lanthanum chromite (LaCrO 3 ) based perovskites have been considered as a promising candidate material for electrodes as well as interconnects for high‐temperature SOFC and OTM . This is mainly because of its high melting point (2773 K), electrical conductivity, and thermo‐physical stability in both oxidizing ( = 0.21 atm) and reducing ( = 10 −22 atm) atmospheres at high temperature . Optimization of the required properties can be achieved by doping of pure LaCrO 3 by alkaline‐earth metals (Sr, Ca, Mg) at A‐site and transition metals (Mn, Ni, Fe, Co) at B‐site .…”

Obtenção do cermet Ni-ZrO2 por moagem de alta energia

“…O cromito de Lantânio (LaCrO 3 ) dopado com estrôncio tem sido estudado para esta aplicação [22,23] .…”