Skip to main content
SUPERVISOR
Hadi Salamati mashhad,Mohammad Zhiani
هادی سلامتی مشهد (استاد راهنما) محمد ژیانی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Majid Jafari
مجید جعفری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده فیزیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392

TITLE

Investigation of Structural, Electrical and Electrochemical Properties of La0.6Ca0.4Fe0.8Ni0.2O3-delta-YSZ in Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell Cathodes
Among available ways to enhance the SOFC cathode, optimizing their microstructure by making composites of two or more compounds is of considerable interest. This is due to intelligent use of each component properties to meet various characteristics in cathode electrodes. Many of the properties required for an electrode are created in composite mode and extended to the entire volume of the material. In this study, the effect of adding different weight percentages of Yittria-Stabilized Zirconia (YSZ) on the structural, electrical and electrochemical properties of (La 0.6 Ca 0.4 )(Fe 0.8 Ni 0.2 )O 3-? , (LCFN) composition is studied as an improved SOFC electrode. The LCFN sample is synthesized by a liquid mix method and its composition with YSZ is achieved by wet ball-milling. The investigation of the LCFN crystalline structure shows that its main phase is orthorhombic with Pnma space group, which is formed alongside a few impurity phases of CaO, NiO and Ni 2 FeO 4 . Also, milling in ethanol medium led to a proper mixture of LCFN and YSZ components. By examining chemical stability of the samples, it is revealed that the maximum temperature to prevent unwanted reaction products between calcium and zirconium in a two-phased composite is 850 °C. With increasing YSZ load, conductivities of compounds are reduced and lead to a shift in the maximum conductivity from 271.3 S/cm at 580 °C to 50 S/cm at around 750 °C. The activation energy of these compounds is also increased from 0.252 eV to 0.329 eV. It is observed that by adding YSZ load, the Area Specific Resistance (ASR) value of the LCFN which is about 0.0124 ?.cm 2 is reduced to 0.0080 ?.cm 2 for LCFN-YSZ-9010 sample. A further review of Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) results shows that the presence of YSZ along with LCFN improves two processes of surface charge adsorption in the production of oxide ions, as well as the transfer of these ions into the cathode bulk due to the increase of Triple Phase Boundaries (T). The Distribution of relaxation Times (DRT) analysis performed on impedance spectra exhibits that gas traort and mass transfer are more dependent on oxygen partial pressure variations than ion traort process which is more affected by presence of YSZ ion conductive phase. The design of an SOFC with optimized cathode (LCFN-YSZ-9010) leads to an increase in open circuit voltage from 0.95 V to 1.04 V and also a rise in SOFC output power density from 420 mW/cm 2 up to 550 mW/cm 2 . As a result, the performance temperature of an SOFC using an improved cathode electrode is decreased at least 50 °C in this study.
در میان روش های موجود برای بهینه سازی کاتد SOFC، علاقه برای بهینه سازی میکروساختار مواد به وسیله ایجاد کامپوزیت دو یا چند ترکیب از توجه چشم گیری برخوردار است. این امر ناشی از استفاده هوشمندانه از خواص هر یک از اجزا برای برآورده سازی ویژگی های متعدد الکترود کاتدی است. بسیاری از خواص مورد نیاز یک الکترود در حالت کامپوزیت ایجاد و به کل حجم ماده نیز گسترده می شوند. در این پژوهش، اثر افزودن درصد های وزنی مختلف YSZ بر خواص ساختاری، الکتریکی و الکتروشیمیایی ترکیب (La 0.6 Ca 0.4 )(Fe 0.8 Ni 0.2 )O 3- ? یا به اختصار LCFN به عنوان یک الکترود بهبود یافته SOFC مورد مطالعه قرار می گیرد. نمونه LCFN توسط روش اختلاط مایع سنتز می شود و کامپوزیت سازی آن با YSZ به وسیله آسیاب سازیِ تَر انجام می گیرد. بررسی ساختار بلوری LCFN تهیه شده، نشان می دهد که فاز اصلی آن اورتورومبیک با گروه فضایی Pnma است و نیز فازهای ناخالصی CaO، NiO و Ni 2 FeO 4 نیز به میزان اندکی وجود دارند. همچنین آسیاب کاری در محیط اتانول باعث ترکیب مناسب دو ماده LCFN و YSZ می شود. با بررسی پایداری شیمیایی نمونه های مختلف، بیشینه دمای مناسب برای جلوگیری از انجام واکنش ناخواسته بین کلسیم و زیرکونیوم موجود در دو فاز تشکیل دهنده کامپوزیت °C 8 ? 0 درجه سانتیگراد است. با افزایش YSZ، از رسانندگی ویژه ترکیبات کاسته می شود و موجب جابجایی رسانندگی ماکزیمم S/cm ?/??? در دمای °C ??0 درجه سانتیگراد به S/cm ?? در محدوده دمای °C ? ? 0 می شود. انرژی فعالسازی رسانندگی این ترکیبات نیز از مقدار eV ???/? به eV ???/? دچار افزایش می شود. مشاهده می شود که با افزودن YSZ، مقدار ASR مربوط به LCFNیعنی ?.cm 2 ????/? به ?.cm 2 ????/? برای نمونه LCFN-YSZ-9010 کاهش می یابد. بررسی بیشتر نتایج EIS نشان می دهد که حضور YSZ در کنار LCFN موجب بهبود در دو فرآیند بازجذب بارهای سطحی در تولید یون اکسید و همینطور انتقال این یون ها در بالک کاتد به علت افزایش TPBها می شود. انجام تحلیل DRT بر روی طیف های امپدانسی نشان می دهد که فرآیند ترابرد گازی و انتقال جرم به فشار جزئی اکسیژن بستگی بیشتری دارد و فرآیند انتقال یون اکسید از حضور فاز رسانای یونی YSZ تاثیر بیشتری می پذیرد. طراحی SOFC با کاتد بهینه شده یعنی LCFN-YSZ-9010 منجر به افزایش ولتاژ مدار باز از V ??/? به V ??/? و چگالی توان خروجی SOFC از مقدار mW/cm 2 ??? به mW/cm 2 ?? ? می شود. در نتیجه دمای عملکرد SOFC با استفاده از الکترود کاتد بهبود یافته در این مطالعه حداقل به اندازه °C ? 0 کاهش پیدا می کند.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی