Skip to main content
SUPERVISOR
Ali Saidi,Mohammad Hassan Abbasi
علی سعیدی (استاد راهنما) محمدحسن عباسی (استاد راهنما)
 
STUDENT
AKBAR HEIDARPOUR
اکبر حیدرپور

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1387

TITLE

Fabrication and characterization of doped Ianthanum chromite as interconnect for solid oxide fuel cell applications
In this study synthesis and sintering properties of lanthanum chromite doped by Sr, Ni and Ca including two main compositions as La 1-x Sr x Cr 1-y Ni y O 3 (0 x 0.3 and 0 y 0.2) and La 1-x-y Sr x Ca y CrO 3 (0 x 0.3 and 0 y 0.3) were investigated. Ultrafine powder of doped lanthanum chromites with average particle size of 150 nm, was successfully synthesized by the simple process of glycine nitrate. The samples were characterized by thermal analysis (DTA-TG), X-ray diffraction, and nitrogen adsorption–desorption, scanning and transmission electron microscopy. The synthesized ultrafine powders had perovskite type crystal structure and some SrCrO 4 or CaCrO 4 phases were detected in high content doping element. The samples were cold isostatically pressed at 200 MPa, and then sintered in air at 1400 and 1500 ?C for several time periods (1–10 h). Relative density measurements were conducted by Archimedes method. The maximum relative density for La 1-x-y Sr x Ca y CrO 3 samples obtained after sintering in air at 1400 ?C for 3 h was 98.2% of the theoretical density and the average grain size of the sintered pellets was about 2 µm. In addition, the effects of composition on phase transition behavior and electrical properties were studied. Base on the sintering mechanism, a simple method was developed to fabricate dense doped LaCrO 3 interconnect membrane on anode substrate for solid oxide fuel cell (SOFC) applications by co-sintering. As conventional lanthanum chromite interconnect is difficult to be co-sintered with green anode, a simple and cost effective screen printing/co-sintering process was employed, and dense La 1-x-y Sr x Ca y CrO 3-? interconnect membrane was successfully prepared on the anode support of NiO-YSZ. In this method a base layer of doped lanthanum chromite (La 1-x Sr x CrO 3-? ) was applied on NiO-YSZ substrate and a top layer of CaCrO 4 was then coated and co-sintered to melt the top layer. By means of this method, not only CaCrO 4 melts and fills the open pores in the base layer, but it also dissolves in base layer forming La 1-x-y Sr x Ca y CrO 3-? as a single layer. In addition, synthesis and characterization of doped lanthanum chromite and CaCrO 4 by glycine nitrate method, sintering characteristics, microstructure and electrical conductivity of interconnect were investigated. Keywords: Solid Oxide Fuel Cell, Interconnect material, Co-sintering, Lanthanum chromite, Electrical properties.
در این پژوهش کرومیت لانتانیم آلایش یافته به دلیل خواص مطلوب به عنوان کاندیدای مناسب برای کاربرد در اتصال دهنده پیل سوختی اکسید جامد مورد توجه گرفت. چالش اساسی این دسته از مواد اتصال دهنده مشکلات تف‌جوشی و مخصوصاً تف‌جوشی همزمان با دیگر اجزای پیل می‌باشد. بنابراین هدف از این پژوهش تهیه یک لایه متراکم از کرومیت لانتانیم آلایش یافته روی آند متخلخل به روش تف‌جوشی همزمان است. بدین منظور نمونه‌های مختلفی از کرومیت لانتانیم آلایش یافته با استرانسیم، کلسیم و نیکل به روش گلایسین نیترات سنتز و مشخصه‌یابی شد که شامل دو ترکیب عمده La 1-x Sr x Cr 1-y Ni y O 3 ( 0 x 0.3 و 0 y 0.2 ) و La 1-x-y Sr x Ca y CrO 3 ( 0 x 0.3 و 0 y 0.3 ) بود. نتایج بررسی‌ها نشان داد که سنتز پودر به روش گلایسین نیترات منجر به تولید پودری اسفنجی شکل می‌شود که پس از آسیاب به مدت 6 ساعت متوسط اندازه ذرات پودر به حدود 150 نانومتر می‌رسد. تمامی نمونه‌ها ساختار پروسکایتی کرومیت لانتانیم داشته و فقط نمونه‌های حاوی استرانسیم و کلسیم بالا، شامل فاز ثانویه کرومات (کرومات استرانسیم یا کلسیم) بودند. بر اساس بررسی آنالیز حرارتی نمونه‌ها فاز کرومات با توجه به ترکیب شیمیایی در محدوده 900 تا 1250 درجه سانتیگراد ذوب می‌گردد و این مذاب در مرحله تف‌جوشی به متراکم شدن نمونه‌ها کمک می‌کند. در ادامه پودر‌های تولیدی فشرده و سپس در دماهای 1400 و 1500 درجه سانتیگراد تف‌جوشی شدند. مکانیزم تف‌جوشی در نمونه‌های حاوی استرانسیم و یا کلسیم بالا مکانیزم تف‌جوشی فاز مذاب بود. هدایت الکتریکی نمونه‌ها در اتمسفر هوا و همچنین اتمسفر هیدروژن ارزیابی شد و نتایج نشان داد که هدایت نمونه‌ها از حداقل میزان هدایت لازم برای پیل سوختی اکسید جامد (1 زیمنس بر سانتیمتر) بالاتر است. مکانیزم هدایت در کرومیت لانتانیم آلایش یافته پلارون کوچک بود. در نهایت تف‌جوشی همزمان کرومیت لانتانیم آلایش یافته و آند بررسی شد. نتایج نشان داد که تف‌جوشی همزمان برای تمامی نمونه‌های کرومیت لانتانیم آلایش یافته موفقیت آمیز نبوده و لایه متراکم بدست نمی‌آید. بنابراین برای تهیه لایه متراکم از اتصال دهنده روی آند یک رویکرد جدید معرفی شد. به این صورت که از دو لایه استفاده شد که شامل یک لایه از جنس کرومیت لانتانیم آلایش یافته با میزان عنصر آلایش کم و فاقد فاز مذاب مانند ترکیب La 1-x Sr x CrO 3 ( x 0.2 ) و لایه فوقانی کرومات کلسیم ( CaCrO 4 ) بود. با توجه به مکانیزم تف‌جوشی دیده شد که فاز کرومات موجود در نمونه‌ها به متراکم شدن آن‌ها کمک می‌کند و همچنین این فاز در زمینه کرومیت حل شده و جزئی از ساختار می‌شود لذا در حین تف‌جوشی لایه کرومات ذوب شده و علاوه بر متراکم کردن لایه زیرین، در آن نیز انحلال یافته و یک لایه متراکم با ترکیب La 1-x-y Sr x Ca y CrO 3 ایجاد می‌کند. نتایج بررسی‌ها نشان داد که لایه زیرین با ترکیب La 0.8 Sr 0.2 CrO 3 و کرومات کلسیم با ضخامت برابر، پس از تف‌جوشی در 1400 درجه سانتیگراد لایه‌ای با بهترین تراکم و خواص ایجاد می‌کنند. مقاومت ویژه سطح در دمای 800 درجه سانتیگراد و در اتمسفر دوگانه (یک سمت هوا و یک سمت هیدروژن) برای لایه متراکم تولیدی به میزان 0089/0 اهم بر سانتیمتر مربع بدست آمد که در مقایسه با سایر انواع اتصال دهنده‌های سرامیکی کمترین مقدار را دارا بود. کلمات کلیدی: پیل سوختی اکسید جامد، اتصال دهنده، تف‌جوشی همزمان، هدایت الکتریکی، کرومیت لانتانیم آلایش یافته.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی