بخشی از مقاله
چکیده
راندمان پیلهای سوختی با تغییر در ساختار و استفاده از تیتانات استرانسیم لانتانیم - LST - به عنوان آند به جای Ni-YSZ افزایش پیدا میکند. ترکیب LST نسبت به Ni-YSZ دارای هدایت بیشتر و همچنین پایداری بالاتری در محیطهای احیایی میباشد. در این تحقیق از نانوذرات تیتانات استرانسیم لانتانیم آلاییده شده به وسیله کبالت - LSCT - به عنوان لایه سد نفوذی به منظور افزایش راندمان پیل سوختی اکسید جامد استفاده شده است.
ابتدا با استفاده از روش سل-ژل - پچینی - و مواد پیشروی نیترات استرانسیوم، نیترات لانتانیوم و همچنین تیتانیوم ایزوپروپکساید نانوپودر LSCT سنتز شد. بر اساس آزمایشات انجام شده ترکیب استکیومتری مناسب جهت مقدار حداکثری راندمان برای LSCT به صورت La0.4Sr0.6Co0.07Ti093O3 به دست آمد. از روش لایه نشانی الکتروفورتیک - EPD - برای ایجاد لایه سد نفوذی بر روی اتصال دهندهی پیل سوختی اکسید جامد که از آلیاژ SUS 430 استفاده شد.
استفاده از این روش لایهنشانی منجر به تشکیل یک لایه چگال با کمترین مقدار عیوب و ضخامت کم میگردد. ترکیب استفاده شده از نفوذ کروم و آهن از سمت اتصال دهنده به آند و همچنین نفوذ نیکل از سمت آند به اتصال دهنده جلوگیری به عمل میآورد. از XRD و SEM مجهز به طیف سنجی تفکیک انرژی - EDS - به ترتیب برای تشخیص فازهای موجود و بررسی ریزساختار و آنالیز شیمیایی پوشش استفاده شد.
مقدمه
به صورت معمول در پیل های سوختی اکسید جامد از ترکیب کامپوزیتی Ni-YSZ به عنوان آند استفاده می شود. که دلیل عمده این استفاده به خاطر پایداری طولانی مدت ، پلاریزاسیون - قطبش - کم، هدایت الکتریکی بالا، هدایت حرارتی و همچنین خا صیت کاتالی ستی عالی آن ا ست.[1-3] در این ترکیب Ni به عنوان هدایت دهندهی الکترونیکی و همچنین کاتالیست مورد نیاز برای واکنش اکسایش هیدروژن عمل میکند و همچنین دلیل ا ستفاده از YSZ یک ساختار حمایتی برای زینتر شدن Ni و دا شتن ضریب انب ساط حرارتی متناسب با الکترولیت که از جنس YSZ است میباشد.
در حین عملکرد به دلیل تغییر در فاز نیکل که با بزرگ شدن دانه ها اتفاق میافتد ساختار از هم پاشیده میشود و این اتفاق مربوط به عملکرد طولانی مدت Ni-YSZ است. دلیل این امر را خاصیت کم ترشوندگی YSZ توسط Ni میدانند که سبب میشود تا Ni اگلومره شده و در حین زمان عملکرد رشد یابد.[4,5] از جمله سایر مشکلات که برای آندهای پایه Ni وجود دارد پایداری پایین خواص مکانیکی در طول سیکلهای اکسایش/کاهش میباشد. اگرچه آند عموما تحت شرایط احیایی کار میکند اما چندین سیکل اک سایش/کاهش ممکن ا ست در حین مدت زمان عملکرد به دلایلی چون : از بین رفتن مخزن سوخت، شک سته شدن آب بندها، بهرهبرداری بیش از جد از سوخت و تعمیرات رخ دهد.[6]
م شکل بزرگ دیگری که در پیل های سوختی که از آند Ni-YSZ ا ستفاده میکنند محدود بودن نوع سوخت است که سبب می شود تا سوخت م صرفی به هیدروژن - H2 - محدود گردد. زمانی که از گازهای طبیعی سوختنی و یا در حین زینتر ناخالصیهای جزئی حتی در مقیاس چند ppm استفاده شود میتواند بر روی عملکرد و پایداری پیل تاثیر گذارد. که این اتفاقات به خاطر حساسیت خیلی بالای Ni به ناخالصیهایی چون H2S که عموما به صورت ناخال صیهایی که نمیتوان آنها را از گازهای طبیعی و گازهای مورد ا ستفاده در زینتر جداسازی کرد میباشد.[7]
آندهایی که بر پایه Ni هستند به وسیله H2S هر چند به مقدار 0.05ppm هم باشد مسموم می شوند. که این مسمومیت آندهای پایه نیکل به وسیله H2S در دو بازهی غلظتی اتفاق میافتد. غلظت پایین از H2S - زیر : - 5ppm که در جذب دوجهتی گوگرد بر روی آندهای پایه Ni اتفاق میافتد که سبب کاهش مقدار کم ولتاژ میشود که یک اتفاق برگشتپذیر است. و از طرفی دیگر، در غلظتهای بالای H2S مسمومیت گوگرد برای آند اتفاق میافتد که سبب افت شدید ولتاژ میشود و در طولانی مدت برگشتپذیر نیست.[8]
به علاوه حساسیت های بالا به ناخالصیهای سوخت، Ni توانایی سازگاری با سوختهای هیدروکربنی را نیز ندارد زیرا کربن بر روی آن رسوب میکند. که از جمله بیشترین تاثیرات این رسوب آن است که کربن بر روی مکان های فعال Ni رسوب میکند و سبب از بین رفتن خاصیت این مکانها که همان خاصیت کاتالیستی و در نهایت سبب از بین رفتن ساختار یکپارچه Ni میشود.[9]
یکی از راههای افزایش پایداری در واکنشهای اکسایش/کاهش جایگزین کردن نیکل با سرامیکهای هدایت کننده الکترون است. مواد سرامیکی اکثرا دارای پایداری ابعادی در طی واکنشهای اکسایش/کاهش هستند و همچنین از پایداری حرارتی بالایی نیز برخوردارند. از بین این مواد استرانسیوم تیتانات که توسط برخی عناصر آلایش شده است از مواد مطرح در این زمینه میباشد. از آنجایی که این ترکیب از ساختار پرووسکایتی با فرمول عمومی ABO3 برخوردار میباشد لذا برای این ماده دو مکان A و B برای آلایش وجود دارد که هر کدام از این مکانها دارای خاصیت ویژهای هستند.
بر اساس تحقیقات صورت پذیرفته در این زمینه برای ترکیباتی همچون LaxSr1−xTiO3 - LST - و xSr1−xTiO3 - YST - که برای این کاربرد به مقدار زیادی مورد مطالعه قرار گرفته اند که با آلاییدن مکان A در این ساختار سبب افزایش خاصیت هدایت التریکی ترکیب شده اند.[10-12] و همچنین اخیرا بر روی موادی که مکان B آنها آلایش شده همچون Sr Ti1− O3 - SNT - تحقیقات صورت پذیرفته است.[10,11]
این موادی که نام برده شدند هر سه دارای خواص مشترکی همچون پایداری شیمیایی بالا در حین زینتر با YSZ، داشتن ضریب انبساط حرارتی مشابه با YSZ و همچنین دارای هدایت الکترون در مقیاس 10-100 Scm-1 در دمای 1573K که دمایی بسیار بالاتر از دمای کاری پیل سوختی است میباشد. در زمان فرآیند احیا،خنثی بودن الکترکی در استرانسیوم تیتانات آلاییده شده با تشکیل جاهای خالی استرانسیوم رخ میدهد.که بعد از فرآیند احیا، تیتانات آلاییده شده شروع به تشکیل Ti+3 میکند که سبب جبران افزایش هدایت الکترونی میگردد. که بر اساس تحقیقات صورت پذیرفته تمایل عناصر برای افزایش جاهای خالی اکسیژن به صورت Ti<Cr<Mn<Cu<Fe<Co میباشد.[11]
در این تحقیق ما با افزودن دو عنصر La و Co به صورت همزمان که به ترتیب در مکانهای A و B برای اصلاح ترکیب SrTiO3 به منظور افزایش خواص هدایت الکتریکی و هدایت یونی استفاده کردهایم.و سپس با استفاده از روش الکتروفورتیک - EPD - پوششی از این ترکیب را بر روی زیرلایههایی از جنس فولاد زنگنزن فریتی 430 ایجاد نمودهایم.
