بررسی خواص الکتروشیمیایی و مکانیکی پیل سوختی اکسید جامد ساخته شده توسط چاپگر سه بعدی

فرآیندهای نوین در مهندسی مواد

دوره 16، شماره 2 - شماره پیاپی 61، تیر 1401، صفحه 39-50   

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

کیوان میرزائی فشالمی^{* 1}؛ زهرا صادقیان²؛ رامین ابراهیمی³

¹دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مواد، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران. مربی، گروه مهندسی، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران

²دانشیار، گروه مهندسی مواد، پژوهشگاه صنعت نفت، تهران، ایران.

³استاد، گروه مهندسی مواد، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران.

چکیده

تاکنون روش‌‌های متنوعی برای ساخت پیل‌های سوختی اکسید جامد معرفی شده‌اند. در این پژوهش از تکنولوژی چاپ سه بعدی (3 D printing) برای تولید پیل‌های سوختی اکسید استفاده گردیده است. در همین راستا ابتدا چاپگر سه بعدی مناسبی که توانایی چاپ دوغاب لایه‌های آند، کاتد و الکترولیت با ضخامت و سرعت مورد نظر را داشته باشد، ساخته شد. سپس دوغاب مناسب متشکل از مواد NiO-YSZ برای لایه‌ آند، YSZ برای لایه الکترولیت و LSM برای کاتد، به همراه حلال و افزودنی‌های مناسب تولید گردید و با استفاده از چاپگر سه بعدی لایه نشانی لایه‌ها صورت گرفت. پس از تشکیل پیل، خشک کردن و سپس تف‌جوشی¹ لایه‌ها انجام شد. در ادامه برای تشخیص عناصر موجود، تعیین ریز ساختار، دانسیته و ضخامت لایه‌ها، آزمایش SEM، Mapping، EDS و XRD صورت گرفت. منحنی I-V-P با جریان ثابت اکسیژن نشان داد که در دمای ^OC800 بیشترین توان چگالی در حدود W/cm² 84/0 و در محدوده ولتاژ 5/ 0 ولت وجود دارد. منحنی امپدانس نیز تحت ولتاژ مدار باز و در فرکانس بالا، مقداری برابر  23/0 و در محدوده فرکانس پایین، مقدار  25/1 را نشان داد. با انجام آزمون کشش، مدول یانگ پیل GPa 111 و استحکام شکست و استحکام تسلیم به ترتیب در حدود MPa 137 و MPa 120 به دست آمد.

کلیدواژه‌ها

پیل سوختی اکسید جامد؛ پرینتر سه بعدی؛ خواص الکتروشیمیایی؛ هدایت الکتریکی؛ خواص مکانیکی

مراجع

[1] S. Tabei, A. Sheidaei, M. Baniassadi, F. Pourboghrat & Garmestani, "Microstructure Reconstruction and Homogenization of Porous Ni-YSZ Composites for Temperature Dependent Properties", Journal of Power Sources, vol. 235, pp. 74-80, 2013.

 

[2] H. A. Hamedani, M. Baniassadi, M. Khaleel, X. Sun, S. Ahzi, D. Ruch, & H. Garmestani, "Microstructure, Property and Processing Relation in Gradient Porous Cathode of Solid Oxide Fuel Cells using Statistical Continuum Mechanics", Journal of Power Sources, vol. 196, pp. 6325-6331, 2011.

 

[3] M. Baniassadi, H. Garmestani, D. Li, S. Ahzi, M. Khaleel & X. Sun, "Three-phase Solid Oxide Fuel Cell Anode Microstructure Realization using Two-point Correlation Functions", Acta Materialia, vol. 59, pp. 30-43, 2011.

 

[4] H. Xu, B. Chen, P. Tan, W. Cai, W. He, D. Farrusseng & M. Ni, "Modeling of all porous solid oxide fuel cells", Appl. Energy, vol. 219, pp. 105-113, 2018.

 

[5] H. Xu, B. Chen, P. Tan, J. Xuan, M. M. Maroto-Valer, D. Farrusseng, Q. Sun & M. Ni, "Modeling of all-porous solid oxide fuel cells with a focus on the electrolyte porosity design", Appl. Energy, vol. 235, pp. 602-611, 2019.

 

[6] A. Faes, A. Nakajo, A. Hessler-Wyser, D. Dubois, A. Brisse & S. Modena, "Redox study of anode-supported solid oxide fuel cell", J. Power Sources, vol. 193, pp. 55-64, 2009.

 

[7] R. Zeng & Y. Huang, "High-performance low-temperature solid oxide fuel cells prepared by sol impregnation", J. Alloys Compd, vol. 810, pp. 151936-43, 2019.

 

[8] N. Ai, Z. Lü, K. Chen, X. Huang, X. Du & W. Su, "Effects of anode surface modification on the performance of low-temperature SOFCs", J. Power Sources, vol. 171, pp. 489-494, 2007.

[9] Z. Wang, N. Zhang, J. Qiao, K. Sun & P. Xu, "Improved SOFC performance with continuously graded anode functional layer, Electrochem", Commun, vol. 11, pp. 1120-1123, 2009.

 

[10] B. Dziurdzia, Z. Magonski & Planar Double-Sided, "Anode Supported SOFC Novel Design, Journal of Microelectronics and Electronic Packaging", vol. 8, pp. 1-7, 2011.

 

[11] S. Masciandaro, M. Torrell, P. Leone & A. Tarancon, "Three-dimensional printed Yttria-stabilized Zirconia self-supported electrolytes for Solid Oxide Fuel Cell applications", J. Europ. Cer. Soc, vol. 39, pp. 9-16, 2019.

 

[12] A. Pesce, A. Hornes, M. Nu´nez, A. Morata, M. Torrell & A. Tarancon, "3D printing the next generation of enhanced solid oxide fuel and electrolysis cells", J. Mater. Chem, vol. 8, pp. 16926–16932, 2020.

 

[13] Z. Feng, L. Liu, L. Li, J. Chen, Y. Liu, Y. Li, L. Hao & Y. Wu, "3D printed Sm-doped ceria composite electrolyte membrane for low-temperature solid oxide fuel cells", Int. J. Hydrogen Energy, vol. 44, pp.13843-13851, 2019.

 

[14] M. Masciandaro, P. Torrell, Leone & A. Tarancón, "Three-dimensional printed yttria-stabilized zirconia self-supported electrolytes for solid oxide fuel cell applications", Journal of the European Ceramic Society, vol. 39, pp. 9-16, 2019.

 

[15] Z. Sadeghian, J. G. Heinrich & F. Moztarzadeh, "Direct laser sintering of hydroxyapatite implants by layer-wise slurry deposition (LSD), Ceram. Forum. Int, vol. 81, no. 12, pp. E39 - E43, 2004.

 

[16] T. Mühler, J. G. Heinrich, C. M. Gomes & J. Günster, "Slurry-based Additive Manufacturing of Ceramics", Int. J. Appl. Ceram. Technol, pp.1–8, 2013.

 

[17] M. A. Sukeshini & R. Cummins, "Ink-Jet Printing: A Versatile Method for Multilayer Solid Oxide Fuel Cells Fabrication", Journal of the American Ceramic Society, vol. 92, no. 12, pp. 2913–2919, 2009.

 

[18] E. Kim, H. Kim, Ch. Bae, D. Lee, J. Moon, J. Kim & H. Shin, "Formation of yttria‑stabilized zirconia nanotubes by atomic layer deposition toward efficient solid electrolytes", Nano Convergence, vol. 4, no. 31, pp. 440-446, 2017.

 

 

[19] N. Srivastava, "Realizing NiO nanocrystals from a simple chemical method", Bulletin of Materials Science, vol. 33, no. 6, pp. 653-656, 2010.

 

[20] G. B. Jung, L. H. Fang, M. J. Chiou, X. V. Nguyen, A. Su, W. T. Lee, S. W. Chang, I. C. Kao & J. W. Yu, "Effects of Pretreatment Methods on Electrodes and SOFC Performance", Energies, vol. 7, pp. 3922-3933, 2014.

 

[21] J. T. Richardson, R. Scates & M. V. Twigg, "X-ray Diffraction Study of Nickel Oxide Reduction by Hydrogen", Applied Catalysis A General, vol. 246, no. 1, pp.137-150, 2003.

 

[22] O. Bezdorozhev, H. Borodianska, Y. Sakka & O. Vasylkiv, "Spark Plasma Sintered Ni-YSZ/YSZ Bi-Layers for Solid Oxide Fuel Cell", Journal of Nanoscience and Nanotechnology, vol. 13, pp. 4150–4157, 2013.

 

[23] D. Salehzadeh, M. Torabi, Z. Sadeghian & P. Marashi, "A multiscale-architecture solid oxide fuel cell fabricated by electrophoretic deposition technique", Journal of Alloys and Compounds, vol. 830, pp.154654, 2020.

 

[24] G. B. Jung, T. J. Huang & C. L. Chang, "Effect of temperature and dopant concentration on the conductivity of samaria-doped ceria electrolyte", Journal of Solid State Electrochemistry, vol. 6, pp. 225-230, 2002.

 

[25] V. M. Janardhanan, & O. Deutschmann, "Modeling of Solid-Oxide Fuel Cells", Z. Phys. Chem, vol. 221, pp. 443–478, 2007.

 

[26] J. Fergus, R. Hui, X. Li, D. P. Wilkinson & J. Zhang, "Materials properties and performance solid oxide fuel cells", CRC press, 2016.

 

[27] J. J. Haslam, B. W. Ai-Quoc Pham, J. F. Chung & R. S. DiCarlo, "Glass Effects of the Use of Pore Formers on Performance of an Anode Supported Solid Oxide Fuel Cell", J. Am. Ceram. Soc, vol. 88, no. 3, pp. 513–518, 2005.

 

[28] D. Osinkin, D. Bronin, S. Beresnev, N. Bogdanovich, V. Zhuravlev, G. Vdovin & T. Demyanenko, "Thermal expansion, gas permeability, and conductivity of NiYSZ anodes produced by different techniques", J. Solid State Electrochem. vol. 18, 149–156, 2014.

 

[29] W. Bao, Q. Chang & G. Meng, "Effect of NiO/YSZ compositions on the co-sintering process of anode-supported fuel cell", Journal of Membrane Science, vol. 259, pp. 103–109. 2005.

 

[30] L. Hu, C. A. Wang & Y. Huang, "Porous Yttria-Stabilized Zirconia Ceramics with Ultra-Low Thermal Conductivity", Journal of Materials Science, vol. 45, pp. 3242–3246, 2010.

 

[31] Z. Wang, N. Zhang, J. Qiao, K. Sun & P. Xu, "Improved SOFC performance with continuously graded anode functional layer", Electrochem, Commun, vol. 11, pp. 1120-1123, 2009.

 

[32] D, Dong, J, Gao, X, Liu & G, Meng, "Fabrication of tubular NiO/YSZ anode-support of solid oxide fuel cell by gelcasting", Journal of Power Sources, vol. 165, pp. 217–223, 2007.

 

[33] Y. Lin, S. Fang, D. Su, K. S. Brinkman & F. Chen, "Enhancing grain boundary ionic conductivity in mixed ionic–electronic conductors", Nature Communication, vol. 6, no. 6824, pp. 1-9, 2015.

 

[34] O. E. Oskouyi, A. Maghsoudipour, M. Shahmiri & M. Hasheminiasari, "Preparation of YSZ electrolyte coating on conducting porous NioYSZ cermet by DC and pulsed constant voltage electrophoretic deposition process for SOFCs applications", J. Alloys Compd, vol. 795, pp. 361-369, 2019.

 

[34] A. R. Hanifi, M. A. Laguna-Bercero, N. K. Sandhu, T. H. Etsell & P. Sarkar, "Tailoring the microstructure of a solid oxide fuel cell anode support by calcination and milling of YSZ", Sci. Rep, vol. 6, 27359, 2016.

 

[35] M. Laguna-Bercero, "Recent advances in high-temperature electrolysis using solid oxide fuel cells: a review", J. Power Sources, vol. 203, pp. 4-16, 2012.

 

[36] S. K. Pratihar, A. Dassharma & H. S. Maiti, "Processing microstructure property correlation of porous NieYSZ cermets anode for SOFC application", Mater. Res. Bull, vol. 40, pp. 1936-1944, 2005.

 

[37] J. W. Kim, A. V. Virkar, K. Z. Fung, K. Mehta & S. C. Singhal," Polarization effects in intermediate temperature, anode‐supported solid oxide fuel cells", Journal of the Electrochemical Society, vol. 146, pp. 69-78, 1999.

 

[38] B. Mani & M. H. Paydar, "Mechanical behaviour of multi-layer half-cells of microtubular solid oxide fuel cells fabricated by the co-extrusion process", Ceramics International, vol. 42, pp. 4194-4203, 2016.

 

 

[39] S. Biswas, T. Nithyanantham & N. T. Saraswathi, "Evaluation of elastic properties of reduced NiO-8YSZ anodesupported bi-layer SOFC structures at elevated temperatures in ambient air and reducing environments", J Mater Sci, vol. 44, pp. 778-785, 2009.

 

[40] A. SelCuk & A. Atkinson, "Elastic Properties of Ceramic Oxides Used in Solid Oxide Fuel C: ells (SOFC)", Journal of the European Ceramic Society, vol. 17, pp. 1523-1532, 1997.

 

[41] A. SelCuk, G. Merere & A. Atkinson, "The influence of electrodes on the strength of planar zirconia solid oxide fuel cells", Journal of Materials Science, vol. 36, PP.1173- 1182, 2001.

 

[42] Z. Sadeghian, "Laser sintering of hydroxyapatite by layer-wise slurry deposition (LSD)", Ph.D. Dissertation, Clausthal University of Technology, Germany, 2005.

 

[43] ف. صادق‌زاده، ح. توللی و م. ع. کریمی، "بررسی استفاده از طیف‌نگاری امپدانس الکتروشیمیایی در پوشش‌ها"، فصلنامه پژوهش‌های کاربردی در فنی و مهندسی، سال اول، شماره اول، صفحه 32-1، 1395.

 

[44] X. Chen, J. Lin, L. Sun, T. Liu, J. Wu, Z. Sheng & Y. Wang, "Improvement of output performance of solid oxide fuel cell by optimizing the active anode functional layer", Electrochim, Acta, vol. 298, pp. 112-120, 2019.

 

[45] N. Ai, Z. Lü, K. Chen, X. Huang, X. Du & W. Su, "Effects of anode surface modification on the performance of low-temperature SOFCs", J. Power Sources, vol. 171, pp. 489-494, 2007.

 

[46] ح. عبدالله پور، "کاربرد روش طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی به‌عنوان یک روش غیر مخرب در پایش و تحلیل خوردگی"، فناوری‌های آ‌زمون‌های غیر مخرب، دوره دوم، شماره پنجم، پاییز و زمستان 1394.

 

[47] D. Young, A. M. Sukeshini, R. Cummins, H. Xiao, M. Rottmayer & T. Reitz, "Ink-jet printing of electrolyte and anode functional layer for solid oxide fuel cells", Journal of Power Sources, vol. 184, pp. 191–196, 2008.

 

[48] J. Sadeghian, G. Heinrich & F. Moztarzadeh, "Influence of powder pre-treatments and milling on dispersion ability of aqueous hydroxyapatite-based suspensions", Ceramics International, vol. 32, pp. 331–337, 2006.