25942

بررسي اثر عوامل فرايندي بر ريزساختار و خواص الكتريكي الكتروليت YSZ و الكتروليت دولايه YSZ/GDC پيل سوختي اكسيد جامد تهيه شده به روش فلاش سينترينگ

دكتري

مهندسي متالوژي و مواد

1400-1401

1400/10/21

دكتر سيد محمد ميركاظمي

مهندسي متالوژي و مواد

با توجه به تاثير الكتروليت بر عملكرد پيل سوختي اكسيد جامد، استفاده از روش¬هاي نوين با هدف كاهش هزينه و همچنين تهيه الكتروليتي با خواص بهبود يافته، همواره مورد توجه محققين بوده است. در اين پژوهش از روش فلاش سينترينگ، به عنوان روشي نوين با قابليت سينتر مواد در دماهاي پايين و زمان‌هاي بسيار كوتاه، براي ساخت الكتروليت تك لايه YSZ و همچنين الكتروليت دولايه زيركونيا پايدار شده با ايتريا/سريا دوپ شده با گادالونيا (الكتروليت دولايه YSZ/GDC) بهره گرفته شده. هدف اصلي اين پژوهش محدود كردن گسترش لايه نفوذي تشكيل شده ميان YSZ و GDC بوده كه داراي مقاومت الكتريكي بالايي است. همچنين تلاش شده است تا تاثير پارامترهاي فرايندي بر ريزساختار و خواص الكتريكي الكتروليت تهيه شده نيز بررسي شود. زيرلايه زيركونيايي با استفاده از روش ريخته¬گري نواري ساخته و با استفاده از روش اسپري تر توسط GDC پوشش داده شد. از روش طراحي آزمايش (تكنيك رويه پاسخ) براي تعيين شرايط آزمايش‌ها و همچنين تفسير تاثير پارامترهاي فرايند بر خصوصيات نمونه استفاده شد. شدت ميدان الكتريكي در محدوده 50 تا V/cm400، چگالي جريان الكتريكي در محدوده 50 تا mA/mm2200 و نوع خمير اتصال به‌عنوان متغيرهاي مستقل در نظر گرفته شدند. از روش پراش پرتو ايكس (XRD) براي بررسي فازي، از ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) براي بررسي ريزساختاري، از آناليز EDX براي آناليز شيميايي، از تصاوير ضبط شده حين فرايند فلاش سينترينگ براي محاسبه زمان نهفتگي، براي بررسي خصوصيات الكتريكي و همچنين خصوصيات الكتروكاتاليستي از روش طيفسنجي امپدانس الكتروشيميايي (EIS) و از روش ارشميدس براي اندازه گيري چگالي بالك استفاده شد. بر مبناي نتايج به دست آمده، شرايط بهينه براي فلاش سينترينگ الكتروليت دولايه تعيين و يك پيل سوختي اكسيد جامد برپايه الكتروليت فلاش سينتر شده، با استفاده از آند اكسيد نيكل-زيركونياي پايدار شده با ايتريا (NiO-YSZ) و كاتد لانتانيم استرانسيم منگنايت (LSM) ساخته شد و عملكرد آن مورد بررسي قرار گرفت. با توجه به ضخامت بيشتر لايه YSZ در الكتروليت دولايه YSZ/GDC و تعيين كننده بودن نقش آن در رفتار فلاش الكتروليت دولايه، خصوصيات لايه YSZ فلاش سينتر شده نيز مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد كه افزايش چگالي جريان فلاش، از 50 به mA/mm2200 منجر به افزايش چگالي YSZ از حدود 71 درصد به 98 درصد مي¬شود. همچنين چگالي نمونه¬هاي فلاش سينتر شده با خمير اتصال LSM، 10 درصد بالاتر از چگالي نمونه¬هاي مشابه فلاش سينتر شده با خمير اتصال پلاتين بودند. بررسي¬ها نشان داد كه براي انجام فلاش به يك ميدان الكتريكي بحراني با شدت V/cm 80 نياز است؛ با افزايش شدت ميدان الكتريكي، زمان نهفتگي به شدت كاهش مي¬يابد و از حدود 15 ثانيه براي ميدان با شدت بحراني، به كمتر از يك ثانيه براي ميدان با شدت V/cm400 مي‌رسد، اما چگالي نمونه¬ها تغييري نمي¬كند. بررسي¬هاي فازي نشان داد كه شدت ميدان الكتريكي بيش از V/cm300 منجر به استحاله YSZ از ساختار مكعبي به ساختار تتراگونال مي¬شود. با بررسي‌ ريزساختار نمونه‌ها توسط ميكروسكوپ الكتروني روبشي، مشخص شد كه فارغ از شدت ميدان به كار رفته، ميانگين اندازه دانه YSZ فلاش سينتر شده حدود μm1 است. با وجود دانه‌هاي كوچكتر در نمونه‌هاي فلاش سينتر شده، هدايت الكتريكي آنها بيشتر از نمونه سينتر شده به روش مرسوم بود. طيف‌سنجي امپدانس الكتروشيميايي نشان داد كه فرايند فلاش سينترينگ از طريق افزايش غلظت جاهاي خالي اكسيژن در مرز دانه، منجر به بهبود هدايت يوني نمونه‌هاي فلاش سينتر شده مي¬شود. بر مبناي مشاهدات انجام شده سازوكاري براي آغاز فرايند فلاش، مبتني بر واكنش مولكول¬هاي اكسيژن محيط با يون‌ها و جاهاي خالي اكسيژن موجود در ساختار شبكه YSZ ارائه شد. بررسي غلظت Zr و Ce در فصل مشترك YSZ/GDC با استفاده از طيف‌سنجي پراكندگي انرژي پرتو ايكس، در الكتروليت دولايه YSZ/GDC تهيه شده با استفاده از روش فلاش سينترينگ نشان داد كه بر خلاف انتظار اوليه، نفوذ كاتيون‌ها در يكديگر بيشتر تحت تاثير شدت ميدان الكتريكي اعمالي است تا دماي نمونه. اما با كنترل پارامترهاي فرايند مي¬توان ضخامت لايه نفوذي را كنترل كرد. فلاش سينتر كردن الكتروليت دولايه در دماي°С800 ، چگالي جريان mA/mm2200 و شدت ميدان الكتريكي V/cm80 منجر به كاهش ضخامت لايه نفوذي از μm20 (براي نمونه سينتر شده به روش مرسوم (دماي °С1450 به مدت 4 ساعت))، به μm1 شد. پيل سوختي ساخته شده از الكتروليت دولايه فلاش سينتر شده قادر به توليد حداكثر چگالي توان mW/cm2300 بود، در حاليكه پيل سوختي اكسيد جامد ساخته شده از الكتروليت سينتر شده به روش مرسوم قادر به توليد حداكثر چگالي توان mW/cm2260 در شرايط مشابه بود. اين بهبود عملكرد معادل كاهش دماي كاري پيل سوختي اكسيد جامد به ميزان °С70 است.

1400/11/04

The effect of flash sintering parameters on the microstructure and electrical properties of the YSZ and YSZ/GDC bilayer, as SOFC electrolyte

1/11/2023 12:00:00 AM

Due to the importance of solid oxide fuel cell (SOFC) electrolyte on its performance and operating temperature, using modern methods to reduce costs and improve electrolyte properties, has always been of interest to researchers. In this research, the flash sintering method is used to produce the bilayer electrolyte (yttria-stabilized zirconia (YSZ) - gadolinia doped ceria (GDC)) because of its ability to sinter materials at low temperatures and very short times. The effect of process parameters on electrolyte properties has been studied. Green YSZ tape was fabricated by tape casting method and coated by GDC using wet spray method. Response surface methodology was used to determine the experiment's situation and to interpretation the data. The relative density was measured by the Archimedes method. Structural, microstructural, chemical analysis, and electrical properties were studied by XRD, SEM, EDX, and EIS methods, respectively. Captured movies were used for shrinkage and incubation time calculations. SOFC performance was measured by a fuel cell testing system by the stepwise electrical load. Results show that increasing current density leads to an increment of relative density. Flash sintered samples with LSM contact paste reach to higher density relative to samples flash sintered with Pt paste. A critical electric field strength (80V/cm) was needed to flash happening. Increasing electric field strength shortens the incubation time but does not affect sample density. A cubic to tetragonal transformation was detected at electric field strength higher than 300V/cm. By using EIS it revealed that higher oxygen vacancy in the grain boundary is responsible for improved ionic conduction in flash sintered samples. A starting mechanism for flash phenomena was suggested according to observation such as the higher critical field strength at reducing atmosphere and impossibility of flash without using contact paste. In the suggested mechanism, the oxygen molecule at ambient atmosphere reacts with oxygen vacancy and oxygen ion in the lattice. Also, we found that the effect of electric field in enhancing the diffuson of Zr and Ce cations is graetter than the temperature. By controlling the process parameter it is possible to reduce interdiffusion layer thickness. Flash sintering of YSZ/GDC dual-layer (T=800°С, E=80V/cm, J=200mA/mm2) reduced interdiffusion layer thickness to 1 μm. The thickness was 20 μm for conventionally sintered one (1450°С for 4 hours). The power density of SOFC based on flash sintered electrolyte was 300mW/cm2, which is about 15% higher than conventionally sintered one.

پيل سوختي اكسيد جامد، الكتروليت دولايه YSZ/GDC، فلاش سينترينگ، هدايت يون اكسيژن، روش رويه سطح پاسخ

پيل سوختي