Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

การขึ้นรูปเซลล์เชื้อเพลิงเซรามิกชนิดนำโปรตอนโดยการพ่นฝอยด้วยไฟฟ้าสถิต

Other Title (Parallel Title in Other Language of ETD)

Fabrication of protonic ceramic fuel cell by electrostatic spray deposition

Year (A.D.)

2010

Document Type

Thesis

First Advisor

รจนา พรประเสริฐสุข

Faculty/College

Faculty of Science (คณะวิทยาศาสตร์)

Degree Name

วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต

Degree Level

ปริญญาโท

Degree Discipline

เทคโนโลยีเซรามิก

DOI

10.58837/CHULA.THE.2010.1007

Abstract

งานวิจัยนี้ได้ทำการขึ้นรูปเซลล์เชื้อเพลิงเซรามิกชนิดนำโปรตอนแบบเซลล์เดี่ยว โดยเริ่มต้นจากการหาตัวแปรที่เหมาะสมในการขึ้น รูปฟิล์มบางอิตเทรียมโดปแบเรียมเซอร์โคเนต (BYZ) สำหรับใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ด้วยเทคนิคการพ่นฝอยด้วยไฟฟ้าสถิต โดยทำการฉีดพ่น สารละลายลงบนซิลิคอนซับสเตรต พบว่าตัวแปรที่ทำให้ฟิล์มมีความหนาแน่นสูงและไม่มีรูพรุน ได้แก่ (i) สารละลายตัง้ต้น BaCl₂·2H₂O, YCl₃·6H₂O และ Zr(C₅H₇O₂)₄ ในตัวทำละลาย ผสมระหว่าง DI water กับ butyl carbitol อัตราส่วนโดยปริมาตรเท่ากับ 50 ต่อ 50 (ii) อุณหภูมิซับสเตรตเท่ากับ 250 ℃ (iii) อัตราการไหลของสารละลายตั้งต้นอยู่ในช่วง 1.4-2.8 มล./ชม. (iv) ความต่างศักย์ระหว่างหัวฉีดและฐานรองอยู่ในช่วง 10-12 kV และ (iv) ระยะห่างระหว่างปลายเข็มกับซับสเตรตเท่ากับ 8 ซม. และผ่านการเผาฟิล์มที่ 1350 ℃ เป็นเวลา 10 ชม. จากนั้น ได้ทำการขึ้น รูปเซลล์เชื้อ เพลิงเซรามิกชนิดนำโปรตอนแบบเซลล์เดี่ยว โดยฉีดพ่น สารละลายข้างต้นลงบนแอโนดที่ขึ้นรูปจาก NiO-BYZ ซึ่งไม่นำไฟฟ้ าและมีรูพรุนสูง พบว่า ฟิล์ม BYZ มีรูพรุนเช่นเดียวกับแอโนด จึงแก้ปัญหาดังกล่าวด้วยวิธีต่างๆ อาทิเช่น การเคลือบ ผิวแอโนดด้วยทองเพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้า การแทนที่รูพรุนด้วยพอลิไวนิลไพโรลิโดน การเผา ผนึกร่วม และการเพมิ่ชั้น แอโนดรูพรุนตํ่าลงบนผิวของแอโนด เป็นต้น จากการทดลองพบว่าวิธีการขึ้น รูปเซลล์เชื้อ เพลิงแบบเซลล์เดี่ยวที่มีการรั่วซึมของ เชื้อเพลิงและออกซิแดนซ์น้อยที่สุดคือ การฉีดพ่นสารละลายลงบนแอโนด NiO-BYZ ที่มีชั้นรูพรุนตํ่าควบคู่กับการเผาผนึกร่วมระหว่างแอโนดและอิเล็กโทรไลต์ที่อุณหภูมิ 1550 ℃ เป็น เวลา 10 ชม. จากนั้น ทำการขึ้น รูปแคโทดโดยการใช้แพลตินัมเพสต์ แต่อย่างไรก็ตาม จากผลการทดสอบประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของเซลล์เชื้อ เพลิงแสดงให้เห็นว่าการเพิ่มชั้น แอโนดรู พรุนตํ่าทำให้เซลล์มีความต้านทานไฟฟ้าสูงและเป็นส่วนสำคัญทำให้กำลังไฟฟ้าสูงสุดของเซลล์อยู่ที่ 3-24 mW/cm² ในช่วงอุณหภูมิ 600-900 ℃ และ 0.05-0.5 mW/cm² ในช่วง อุณหภูมิ 400-500 ℃ เท่านั้น

Other Abstract (Other language abstract of ETD)

This research was conducted to fabricate a single cell of protonic ceramic fuel cell (PCFC). The process started from optimizing the electrostatic spraying parameters for Y-doped barium zirconate (BYZ) film deposition on a Si wafer. The effects of the process parameters on the microstructure of BYZ thin films were studied. The optimum conditions for BYZ film deposited were summarized as followed: (i) using chlorides and acetyl acetonate precursor solutions in a solvent mixture of DI water and butyl carbitol at a volume ratio of 50:50 (ii) a substrate temperature of 250 ℃ (iii) the applied voltage in a range of 10-12 kV (iv) a flow rate ranged from 1.4 to 2.8 ml/h and (v) a nozzle-to-substrate distance is 8 cm. Dense and uniform BYZ thin films on Si substrates were finally obtained after calcination at 1350 ℃ for 10 h. However, by changing the substrate to NiO/BYZ anodes, porous BYZ films were obtained due to the high porosity and low conductivity of the anodes. Several methods, such as gold coating to increase electronic conductivity, inserting polyvinyl pyrolidone into anode pores, introducing an anode function layer and cosintering, were subsequently applied to solve this issue. A dense BYZ film was successfully fabricated on a NiO/BYZ anode with an anode functional layer after co-sintering at 1550 ℃ for 10 h. Pt paste was subsequently used as the cathode. However, due to the additional internal resistance introduced by an anode functional layer, the maximum power density obtained was only in range of 3-24 mW/cm² at 600-900 ℃ and 0.05-0.5 mW/cm² at 400-500 ℃

Link to Full Text

Share

COinS