Ανάπτυξη επικάλυψης κυβικής ζιρκονίας για κατασκευή κυψέλης καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη

Abstract

Αφετηρία της παρούσης εργασίας αποτέλεσε η ανάγκη να διερευνηθεί η δυνατότητα δημιουργίας επικάλυψης ζιρκονίας σταθεροποιημένης με ύττρια στην κυβική δομή, με κατάλληλες ιδιότητες ώστε να αποτελεί στερεό ηλεκτρολύτη σε κελία καυσίμου του τύπου Solid Oxide Fuel Cells (SOFC). Ακολουθήθηκε η διαδικασία της εμβάπτισης κατάλληλων υποστρωμάτων σε διαλύματα Sol – Gel, σε πολφούς και σε διαλύματα Sol – Gel (non – aqueous). Την λήξη των εμβαπτίσεων ακλούθησε πύρωση των επικαλύψεων και η εξέταση της επιφάνειας τους στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης. Στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής εργασίας, εξετάστηκε πληθώρα παραγόντων που δύνανται να επηρεάζουν την ποιότητα της επικάλυψης. Οι παράγοντες που εξετάστηκαν αφορούν στα διαλύματα στα οποία πραγματοποιήθηκαν οι εμβαπτίσεις, τα υποστρώματα στα οποία βασίζεται η επικάλυψη καθώς και στη διαδικασία και τις συνθήκες ξήρανσης και πύρωσης των επικαλύψεων. Πιο συγκεκριμένα, όσον αφορά στα αιωρήματα που πραγματοποιήθηκαν οι εμβαπτίσεις, εξετάστηκαν παράγοντες, όπως το ιξώδες των αιωρημάτων και των πολφών και το πως αυτό δύναται να γίνει εργάσιμο, ώστε να προκύψει ομοιόμορφη επιφάνεια επικάλυψης με την λήξη της εμβάπτισης. Στην περίπτωση των υποστρωμάτων, εξετάστηκε η σύνδεση των υποστρωμάτων με την επικάλυψη και το ποιό από τα κατεργασμένα μεταλλικά ή κεραμικά υποστρώματα αποκτά την ιδανικότερη επαφή με την επικάλυψη. Τέλος, σε ό,τι αφορά τις θερμοκρασίες ξήρανσης και πύρωσης, μελετήθηκε σε ποιες αντιστοιχίες θερμοκρασιών πετυχαίνεται η καλύτερη δυνατή πυροσυσσωμάτωση της επικάλυψης. Στόχος της εργασίας ήταν να δημιουργηθεί επικάλυψη (8YSZ), η οποία κατά την εξέταση της στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης, να παρουσιάζεται ομοιόμορφη, χωρίς πόρους, με καλή πυροσυσσωμάτωση και ελάχιστο πορώδες στα όρια των κόκκων. Όλη η πειραματική διαδικασία της παρούσης εργασίας έλαβε χώρα στο εργαστήριο Μεταλλογνωσίας της σχολής Μηχανικών Μεταλλείων – Μεταλλουργών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.

The starting point for the present project was the need to investigate the possibility of creating a coating of zirconia stabilized with yttria on the cubic structure (8YSZ), with the necessary properties in order to form a stable catalyst in Solid Oxide Fuel Cells (SOFC). The procedure followed was dip-coating in Sol-Gel solutions, slurries and Sol-Gel solutions (non – aqueous). The dipping procedure was followed by the calcining of overlays and the examination of their surface in the scanning electron microscope. During the completion of this dissertation, lots of factors, which can affect the quality of the overlay, were examined. The examined factors include the type of the solutions in which the overlays were dipped, the types of the overlay coatings and the procedure parameters of the overlay drying and calcining. Specifically, some factors, concerning the suspensions where the dips were performed, were examined. One of them was the level of the viscosity of the suspensions and slurries that was needed, in order to produce a uniform overlay. Concerning the coatings, their coherence with the overlay was examined. In other words, which among the examined metallic and ceramic coatings acquires the most ideal contact with the overlay. Finally, as far as the drying and calcination temperatures are concerned, their correspondence was examined, in order to determine the best possible sintering of the overlay. The aim of the project was to create an 8YSZ overlay. The produced overlay should be equable, without pores, have a good sintering and the least possible porosity when examined through a scanning electron microscope (SEM). The entire experimental process of the present dissertation took place in the Laboratory of Metallurgy, located in the School of Mining & Metallurgical Engineering of the National Technical University of Athens.