بهینه سازی کاتد پیل سوختی اکسید جامد دمای میانی بر پایه باریوم

پیل های سوختی ابزاری موثر 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.