SUPERVISOR
Hadi Salamati mashhad,Mehdi Ranjbar
هادی سلامتی مشهد (استاد راهنما) مهدی رنجبر (استاد مشاور)
STUDENT
Samira Daneshmandi
سمیرا دانشمندی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده فیزیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Optimization of Barium Based Cathode for Intermediate-Temperature Solid Oxide Fuel Cells
Fuel cells are considered to be a promise device to convert chemical to electrical energy that exhibits main advantages such as high efficiency and low environmental impact. Among different kinds of fuel cells, solid oxide fuel cells (SOFCs) have received tremendous attention due to their high efficiency, low pollution, and high flexibility of fuels, in high operation temperature. The traditional SOFCs that operated at high temperature, 800-1000 ?C, has some problems related to the cost of the materials and fabrication. However, high operation temperature is useful in increasing the rate of electrode reactions and decreasing the cell ohmic resistance. possibility of additional reaction between cell components, increase the need to use costly metal interconnects. Therefore, an important research is to get lower cost components for operation temperatures under 800 ?C. Accordingly, intermediate temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFC), operating in range 600-800 ?C temperatures, have attracted much attention in recent years. Reduction of SOFC operating temperature under the 800 ?C range allows for a greater choice of materials. To counteract the increased ohmic resistance across the electrolyte during reduced temperature operation and improve cell performance, micro-SOFCs (µ SOFCs) utilizing thin film component are being actively developed. One of the vital SOFC components is the cathode with important characteristic of high electrical conductivity and sufficient ionic conductivity. In particular, perovskite materials are well known for their more than adequate characteristics as SOFC cathode materials. Studies on the mixed electronic and ionic conduction (MIEC) materials show that Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 (BSCF) is a good candidate to be used in intermediate solid oxide fuel cells. In this study, powder of BSCF oxide was prepared by two solid state reaction and sol-gel methods for solid oxide fuel cell cathode applications. Furthermore, to investigation of oxygen pressure impact, thin films of BSCF have been grown successfully on single crystal SrTiO 3 (STO) and Si substrates in different oxygen pressures by pulsed laser deposition (PLD). Crystal structures of bulk and thin films were studied by X-Ray Diffraction (XRD). X-Ray patterns of Bulk show monoclinic cubic structure. The XRD pattern obtained for thin films on STO substrate showed a preferred (00 l ) crystalline orientation in the direction of substrate. The surface morphology of films was analyzed by atomic force microscope (AFM). The films surface consist of different separated BSCF islands. The diameter and height of this islands increase with oxygen pressure in such a way so that spherical island are formed in higher oxygen pressure. The electrical resistivity of bulk and thin films were measured from room temperature up to operation temperature of IT-SOFC (800 ?C) by four-point probe method in air atmosphere, that showed a sharp drop compared to initial value for bulks and thin films. Furthermore, it has shown that increasing of oxygen pressure obtain thin films with lower initial resistance. The surface exchange coefficient (K chem ) of the BSCF thin film, determined by electrical conductivity relaxation (ECR) technique. The conductivity change was sharp upon the sudden switch in oxygen pressure and followed an exponential relaxation curve, which well fit with electrical conductivity relaxation model. Results show that BSCF is a good candidate to be used as cathode in intermediate solid oxide fuel cells and µSOFCs structure. Keywords: Solid Oxide Fuel Cell, Cathode, Perovskite, Pulsed Laser Deposition, Thin Film, Electrical Resistance.
پیل های سوختی ابزاری مؤثر برای تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی هستند که به علت مزایایی چون بازده بالا و عدم آلودگی زیست محیطی و صوتی، توجه زیادی را به خود جلب کرده اند. در بین انواع مختلف پیل های سوختی، پیل سوختی اکسید جامد(SOFC) با داشتن مزایایی از قبیل توان تبدیل انرژی بالا و همچنین امکان استفاده از انواع سوخت ها به واسطه ی دمای کاری بالا، از اهمیت بسزایی برخوردار می باشد. پیل های سوختی اکسید جامد اولیه در دمای بالا (C? 1000-800) کار می کردند. هرچند دمای کاری بالا در افزایش سرعت واکنش های الکترود و کاهش مقاومت اهمی پیل مفید است، احتمال انجام واکنش های مضر بین اجزاء پیل، نیاز به استفاده از روابط میانی فلزی گران قیمت را بیشتر می کند. بنابراین تلاش برای کاهش دمای کاری این نوع پیل سوختی تا زیر C? 800، بطوریکه از عملکرد آن کاسته نشود، افزایش یافته است. در سال های اخیر پیل های سوختی اکسید جامد دمای میانی که در این بازه دمایی کار می کند، توجه زیادی را به خود جلب کرده اند. کاهش دمای کاری پیل سوختی اکسید جامد اجازه انتخاب بیشتری را برای مواد فراهم می کند. به منظور جلوگیری از افزایش مقاومت اهمی در عرض الکترولیت با کاهش دمای کاری و بهبود عملکرد پیل، پیل های سوختی میکرو با کاربرد اجزاء به صورت لایه نازک در حال گسترش است. یکی از اجزای اساسی پیل سوختی اکسید جامد، کاتد است که مهمترین خاصیت آن رسانندگی الکترونی بالا و رسانندگی یونی کافی است. در بین انواع مختلف موادی که رسانندگی الکترونی ویونی آمیخته دارند، موادی با ساختار پروسکایتی خواص رسانندگی خوبی از خود نشان می دهند. مطالعات متعدد روی موادی که رسانندگی الکترونی و یونی آمیخته دارند، BSCF را کاندیدای امیدبخشی برای کاتد پیل سوختی اکسید جامد دمای میانی معرفی نموده است. در این پژوهش ماده کاتدی BSCF به دو روش واکنش حالت جامد و سل- ژل ساخته شد. همچنین به منظور بررسی اثر فشار اکسیژن روی خواص نمونه، از هدفBSCF لایه های نازک تهیه شد. این لایه ها روی زیر لایه STO و سیلیکون در فشارهای مختلف اکسیژن به روش لیزر پالسی لایه نشانی شد. برای بررسی خواص ساختاری نمونه ها هم در حالت حجمی و هم حالت لایه نازک از مشخصه یابی پراش پرتو ایکس (XRD) استفاده شد. پراش پرتو ایکس نمونه های حجمی نشاندهنده شکل گیری ساختار تک فاز مکعبی بود. در مورد لایه های نازک روی زیرلایه STO دیده شد که لایه ها در جهت ترجیحی زیرلایه رشد یافته اند. خواص مورفولوژی سطح لایه ها توسط تصویر برداری میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) بررسی شد. نتایج این مشخصه یابی نشان داد که سطح لایه ها از جزایری مجزا تشکیل شده، که قطر و ارتفاع این جزایر با افزایش فشار افزایش می یابد، بطوریکه در فشارهای بالا جزایر کروی شکل روی سطح لایه شکل گرفتند. خواص الکتریکی نمونه های حجمی و لایه های نازک به روش چهار میله ای از دمای اتاق تا دمای کاری پیل سوختی اکسید جامد در هوا اندازه گیری شد. نتایج نشان داد که هم در مورد نمونه های حجمی و هم در مورد لایه های نازک، مقاومت نمونه ها با افزایش دما به میزان چشمگیری کاهش می یابد. در مورد لایه های نازک BSCF دیده شد که با افزایش فشار اکسیژن زمینه در حین لایه نشانی، لایه هایی با مقاومت اولیه کمتر بدست می آید. ضریب تبادل سطحی لایه نازک BSCF به روش واهلش هدایت الکتریکی محاسبه شد. مشاهده شد که با ورود ناگهانی گاز اکسیژن به محیط نمونه مقاومت نمونه به میزان زیادی کاهش می یابد و منحنی لگاریتمی واهلش حاصل با مدل واهلش رسانندگی الکتریکی مطابقت دارد. نتایج حاصل BSCF را کاندیدای مناسبی به عنوان کاتد پیل و میکرو پیل سوختی اکسید جامد دمای میانی معرفی می کند. واژه های کلیدی: پیل سوختی اکسید جامد، کاتد، پروسکایت، لایه نشانی تپش لیزری، لایه نازک، مقاومت الکتریکی