تهیه الکترولیت لوله شکل پایه زیرکونیا به روش لایه نشانی الکتروفورتیک

یک پیل سوختی سیستمی است که انرژی شیمیایی سوخت را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می کند. در میان انواع پیل های سوختی، این پیل سوختی اکسید جامدی (sofc) است که تمامی اجزای آن کاملاً در حالت جامدند و بر پایه ی الکترولیتی اکسید جامدی می باشد که به صورت بالقوه دارای بیشترین بازده انرژی با کمترین میزان اتلاف است و گستره ی بزرگی از سوخت ها از هیدروژن تا گازهای طبیعی، گاز زغال سنگ و بنزین قابلیت تبدیل به الکتریسیته را دارند. عملکرد و دوام پیل های سوختی اکسید جامدی به شدت به ریزساختار و شکل اجزای پیل بستگی دارد. یک تک سل (سلول) اکسید جامدی از یک آند و یک کاتد که توسط یک الکترولیت اکسید جامدی (یک رسانای یونی) جدا شده اند، تشکیل می شود. الکترولیت جامد باید عایق الکترونیکی (مانع تماس الکترون ها و حفره های الکترون) و غیر قابل نفوذ گاز (به شکل یک غشای چگال) باشد. بیشترین الکترولیت مورد تحقیق، بر پایه ی رساناهای یونی اکسیژن نظیر زیرکونیای پایدار توسط ایتریا (ysz، با ترکیب 8% مول ایتریا، 92% مول زیرکونیا، با نام 8ysz) می باشد. پیل های سوختی اکسید جامدی بر پایه ی ysz، برای بازدهی بهتر معمولاً در دماهای بالا(c°750-1000) کار می کنند. ولی برای کاهش هزینه ی مواد و افزایش دوام اجزای سیستم، مطلوب است تا دمای کارکرد را کاهش داد، بنابراین الکترولیت باید تا حد ممکن نازک باشد. برای ساخت الکترولیت نازک ysz روش های بسیاری نظیر ریخته گری نواری، لایه نشانی بخار الکتروشیمیایی (evd)، لایه نشانی بخار فیزیکی (pvd)، و به تازگی روش لایه نشانی الکتروفورتیک (epd) به کار رفته است. به دلیل اینکه روش های evd و pvd گران تمام می شوند، همچنین در روش های ارزانتر برای دستیابی به دقت قابل کنترل و کیفیت تکرارشدنی دشواری هایی وجود دارد، روش الکتروفورتیک به عنوان کاندیدای برجسته با قابلیت عملی بالا تبدیل شده است. علاوه بر کاربردهای متداولِ این روش نظیر ایجاد پوشش های سرامیکی مقاوم به خوردگی و ضد اکسایش، تمایل بسیاری برای استفاده از روش الکتروفورتیک در وسایل ریزالکترونیکی پیشرفته و پیل های سوختی اکسید جامدی بوجود آمده است. بنابراین روش الکتروفورتیک برای ساخت الکترولیت لوله ای در پیل سوختی اکسید جامدی در پروژه ی حاضر انتخاب شد. در طی فرآیند الکتروفورتیک، ذرات باردار در دوغاب تحت یک میدان الکتریکی به سمت الکترود با بار مخالف حرکت می کنند. سپس، این ذرات روی الکترود لخته شده و یک لایه ی چگال تشکیل می دهند. لازمه ی اساسی کاربرد یک الکتروفورتیک موفق، تهیه ی یک دوغاب پایدار در یک حلال مناسب با پتانسیل زتای بالا می باشد. در این پروژه، از روش الکتروفورتیک برای ساخت لایه ی نازک ysz روی زیرلایه ی میله ای از جنس گرافیت استفاده شده است. در این فرآیند، ایزوپروپانول به عنوان حلال، 4-هیدروکسی بنزوییک اسید به عنوان پراکنده ساز و پلی وینیل بوتیرال به عنوان چسب در دوغابی از پودر ysz به کار رفته است. هدف اصلی پروژه احراز شرایط مناسب برای تهیه ی دوغاب پایدار، به منظور دست یابی به لوله های ته بسته ی متعدد بدون ترک، پس از سوزاندن زیرلایه ی گرافیتی، خشک کردن لوله های سرامیکی خام و تف جوشی آنها تا استحکام بالا می باشد. با توجه به آزمایش های صورت گرفته می توان نتیجه گرفت که در حالت کلی بهترین نمونه ی قابل ساخت که دارای بالاترین ویژگی های ساختاری و شرایط ساخت باشد، نمونه ای است که با دوغابی حاوی چسب و به صورت کامپوزیتی از پودرهای 3ysz و 8ysz ساخته شود.