در این پژوهش چگونگی ساخت تک سل پیل سوختی اکسید جامد با زیرلایه آنـدي (NiO-BZCY7) و طراحـی صفحهاي، بر پایه الکترولیت هادي یون هیدروژن با ترکیب شیمیایی BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ (BZCY7) مـورد بررسـی قرار گرفت و فرآیند تولید آن در راستاي همسانسازي رفتار چگالش اجزاء مختلف بهینه گردیـد. در ایـن خـصوص پـس از تولید پودرهاي اجزاء مختلف تک سل به روش سنتز در حالت جامد، شکلتولدهی آنها و ید قطعات خام تک و سه لایهاي با استفاده از روش پرس خشک تک محوري صورت گرفت. به منظور بررسی رفتار چگالش لایههـاي مختلـف بـا ترکیـب شیمیایی و ضرائب انبساط حرارتی متفاوت، نمونههاي تک لایهاي ساخته شده از زیرلایه، آند و الکترولیت، تحـت عملیـات سینترینگ در شرایط یکسان، در دماهاي مختلف ۸۰۰، ۱۰۰۰، ۱۲۰۰ و ۱۴۰۰°C قرار داده شدند. رفتار چگالش نمونههـاي سینتر شده با تعیین تغییرات انقباض و همچنین تعیین دانسیته نسبی به روش ارشمیدس مورد بررسی قرار گرفت. در ادامـه به منظور همسانسازي انقباض لایههاي مختلف در نمونههاي سه لایهاي از مواد تخلخلزاي مختلف با درصدهاي متفاوت جهت تولید پودر لایه آند، استفاده شد. پس از ساخت موفق نمونه سه لایهاي یا همان نیم-سل پیـل سـوختی، بـه منظـور تکمیل ساخت تک سل، لایهنشانی کاتد با ترکیب شیمیایی SmBa0.5Sr0.5Co2O5+δ (SBSC) بر نیم-سل تولید شـده به روش رنگ کردن صورت گرفتعملسپس. نمونهها تحت یات پخـت در دمـاي ۱۰۰۰°C قـرار گرفتنـد. جهـت بررسـی مشخصههاي پودرهاي سنتز شده آنالیز XRD و به منظور تعیین شـکل، انـدازه، درصـد و پراکنـدگی حفـرات باقیمانـده در لایهها و همچنین شرایط اتصال چهار لایه در تک سل تولید شده تصاویر SEM مورد استفاده قرار گرفت.

کلید واژه: پیل سوختی اکسید جامد، الکترولیت هادي پروتون، کاتد، سنتز حالت جامد، پرس خشک، نیم-سل و تک سل.

-۱ مقدمه

به علت افزایش جمعیت و صنعتی شدن کشورهاي در حال توسـعه، تقاضـا بـراي انـرژي روز بـه روز در حـال افـزایش اسـت و سوختهاي فسیلی که منبع اصلی تأمین انرژي میباشند، پاسخگوي این تقاضاي رو به رشد نیستند. علاوه بر آن، مصرف بـیش از اندازه این سوختها، آلودگی هوا و گرم شدن جهانی را به دنبال خواهد داشت. در نتیجه یافتن یک منبع سوخت جایگزین کـه

۱ ا ن را یک ا ان

نغمه میراب، محمدحسین پایدار

انرژي پاك تولید کند و یک منبع تجدیدپذیر یا تمام نشدنی باشد، از اهمیت زیادي برخوردار بوده و تحقیقات بسیاري نیز در ایـن زمینه صورت گرفته است. یکی از این منابع نوین تأمین انرژي، پیل سوختی میباشد. پیل سـوختی وسـیلهاي الکتروشـیمیایی بـا قابلیت تبدیل مستقیم انرژي شیمیایی به انرژي الکتریکی است. در میان انواع پیلهاي سوختی، پیلهاي سوختی اکسید جامـد از مزایایی مانند بازده تبدیل انرژي بالا، محدوده کاربرد وسیع (هر دو کاربرد ساکن و سیار امکانپذیر است)، و تنـوع سـوخت قابـل استفاده برخوردار هستند .[۱] در سالیان اخیر، علاقه به تکنولوژي پیل سوختی اکسید جامد، به دلیل امید به اقتصادي شـدن آن و با توسعه و بهبود فرآیند ساخت سرامیکها، در سراسر جهان گسترده شده است .[۲]

-۲ مرور منابع مطالعاتی

یکی از چالشهاي اصلی در راستاي تجارتی کردن پیلهاي سوختی اکسید جامد کاهش هزینههاي بالاي ساخت آنها میباشـد

.[۳] بدین منظوراساساً دو راه حل توسط محققان در سراسر جهان مورد پذیرش قرار گرفته است. یکی از این راهحلهـا، کـاهش درجه حرارت کارکرد پیلهاي سوختی اکسید جامد و رساندن آن به درجه حرارتهاي متوسط یا کمتر (زیر ۷۰۰ درجه سـانتیگراد)
میباشد .[۴] این امر دامنه انتخاب مواد را گسترش و مشکلات مربوط بـه درزگیـري را کـاهش خواهـد داد و همچنـین توانـایی استفاده از فولادهاي ضدزنگ فریتی ارزان قیمت را بعنوان اجزاء سیستمهاي پیل سوختی فراهم خواهـد آورد. بـا ایـن وجـود بـا کاهش درجه حرارت کارکرد پیلهاي سوختی، مقاومت الکترولیـت YSZ کـهمعمـولاً مـورد اسـتفاده قـرار مـیگیـرد، بـه طـور چشمگیري افزایش مییابد. بنابراین براي پیلهاي سوختی اکسید جامـد بـا قابلیـت کـار در درجـه حـرارتهـاي متوسـط، مـواد الکترولیت با رسانایی بالا موردنیاز است. ترکیب شیمیایی BaCeO3 در حضور ماده افزودنی (دوپنت)، داراي هدایت پروتونی بـالا و انرژي فعالسازي کم در محدوده درجه حرارت متوسط میباشد. بعلاوه براي پیلهاي سوختی اکسید جامد بـر پایـه رسـاناهاي پروتونی، آب در کاتد تولید خواهد شد، بنابراین از رقیق شدن سوخت در آند جلوگیري میشود ۵]و.[۶ از اینرو رسـاناهاي پروتـون بر پایه BaCeO3، بعنوان بهترین کاندیداي الکترولیت در پیلهاي سوختی اکسید جامد مورد توجه قـرار گرفتـهانـد .[۷] راه حـل دیگر آسانتر کردن مراحل ساخت و کاهش هزینههاي تولید پیل سوختی اکسید جامد میباشد. در این راستا استفاده از روشهاي ساده و ارزان همچون پرس خشک لایهها و پخت همزمان نیم-سل میتواند تأثیرگذار باشد. یراًاخ گزارش شده است کـه حـضور یک لایه فعال آندي بین لایه چگال الکترولیت و زیرلایه متخلخل آندي، براي کاهش مقاومت پیل و در نتیجه توسعه چـشمگیر عملکرد پیل سوختی اکسید جامد بر پایه الکترولیت هادي پروتون مؤثر است .[۸] اما با این وجـود پخـت همزمـان سـه لایـه بـا ترکیب شیمیایی متفاوت و ضرائب انبساط حرارتی مختلف در نیم-سلهاي تولید شده، یک چالش قابل توجـه خواهـد بـود زیـرا عدم هماهنگی در تغییرات انقباض لایهها حین عملیات سینترینگ، میتواند منجر به ترك خوردن و یا فروپاشی نمونهها شود.