Skip to main content
SUPERVISOR
Ali Saidi,Mohammad Hassan Abbasi
علي سعيدي (استاد راهنما) محمدحسن عباسي (استاد راهنما)
 
STUDENT
AKBAR HEIDARPOUR
اکبر حيدرپور

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.
چکيده در اين پژوهش کروميت لانتانيم آلايش يافته به دليل خواص مطلوب به عنوان کانديداي مناسب براي کاربرد در اتصال دهنده پيل سوختي اکسيد جامد مورد توجه گرفت. چالش اساسي اين دسته از مواد اتصال دهنده مشکلات تف‌جوشي و مخصوصاً تف‌جوشي همزمان با ديگر اجزاي پيل مي‌باشد. بنابراين هدف از اين پژوهش تهيه يک لايه متراکم از کروميت لانتانيم آلايش يافته روي آند متخلخل به روش تف‌جوشي همزمان است. بدين منظور نمونه‌هاي مختلفي از کروميت لانتانيم آلايش يافته با استرانسيم، کلسيم و نيکل به روش گلايسين نيترات سنتز و مشخصه‌يابي شد که شامل دو ترکيب 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. نتايج بررسي‌ها نشان داد که سنتز پودر به روش گلايسين نيترات منجر به توليد پودري اسفنجي شکل مي‌شود که پس از آسياب به مدت 6 ساعت متوسط اندازه ذرات پودر به حدود 150 نانومتر مي‌رسد. تمامي نمونه‌ها ساختار پروسکايتي کروميت لانتانيم داشته و فقط نمونه‌هاي حاوي استرانسيم و کلسيم بالا، شامل فاز ثانويه کرومات (کرومات استرانسيم يا کلسيم) بودند. بر اساس بررسي آناليز حرارتي نمونه‌ها فاز کرومات با توجه به ترکيب شيميايي در محدوده 900 تا 1250 درجه سانتيگراد ذوب مي‌گردد و اين مذاب در مرحله تف‌جوشي به متراکم شدن نمونه‌ها کمک مي‌کند. در ادامه پودر‌هاي توليدي فشرده و سپس در دماهاي 1400 و 1500 درجه سانتيگراد تف‌جوشي شدند. مکانيزم تف‌جوشي در نمونه‌هاي حاوي استرانسيم و يا کلسيم بالا مکانيزم تف‌جوشي فاز مذاب بود. هدايت الکتريکي نمونه‌ها در اتمسفر هوا و همچنين اتمسفر هيدروژن ارزيابي شد و نتايج نشان داد که هدايت نمونه‌ها از حداقل ميزان هدايت لازم براي پيل سوختي اکسيد جامد (1 زيمنس بر سانتيمتر) بالاتر است. مکانيزم هدايت در کروميت لانتانيم آلايش يافته پلارون کوچک بود. در نهايت تف‌جوشي همزمان کروميت لانتانيم آلايش يافته و آند بررسي شد. نتايج نشان داد که تف‌جوشي همزمان براي تمامي نمونه‌هاي کروميت لانتانيم آلايش يافته موفقيت آميز نبوده و لايه متراکم بدست نمي‌آيد. بنابراين براي تهيه لايه متراکم از اتصال دهنده روي آند يک رويکرد جديد معرفي شد. به اين صورت که از دو لايه استفاده شد که شامل يک لايه از جنس کروميت لانتانيم آلايش يافته با ميزان عنصر آلايش کم و فاقد فاز مذاب مانند ترکيب La 1-x Sr x CrO 3 ( x 0.2 ) و لايه فوقاني کرومات کلسيم ( CaCrO 4 ) بود. با توجه به مکانيزم تف‌جوشي ديده شد که فاز کرومات موجود در نمونه‌ها به متراکم شدن آن‌ها کمک مي‌کند و همچنين اين فاز در زمينه کروميت حل شده و جزئي از ساختار مي‌شود لذا در حين تف‌جوشي لايه کرومات ذوب شده و علاوه بر متراکم کردن لايه زيرين، در آن نيز انحلال يافته و يک لايه متراکم با ترکيب La 1-x-y Sr x Ca y CrO 3 ايجاد مي‌کند. نتايج بررسي‌ها نشان داد که لايه زيرين با ترکيب La 0.8 Sr 0.2 CrO 3 و کرومات کلسيم با ضخامت برابر، پس از تف‌جوشي در 1400 درجه سانتيگراد لايه‌اي با بهترين تراکم و خواص ايجاد مي‌کنند. مقاومت ويژه سطح در دماي 800 درجه سانتيگراد و در اتمسفر دوگانه (يک سمت هوا و يک سمت هيدروژن) براي لايه متراکم توليدي به ميزان 0089/0 اهم بر سانتيمتر مربع بدست آمد که در مقايسه با ساير انواع اتصال دهنده‌هاي سراميکي کمترين مقدار را دارا بود. کلمات کليدي: پيل سوختي اکسيد جامد، اتصال دهنده، تف‌جوشي همزمان، هدايت الکتريکي، کروميت لانتانيم آلايش يافته.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی