Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)
Other Title (Parallel Title in Other Language of ETD)
การขึ้นรูปและความสามารถทางไฟฟ้าเคมีของเซลล์อิเล็กโทรไลซิสแบบออกไซด์ของแข็งที่มีโฟมนิกเกิลอัลลอยด์เป็นตัวรองรับเพื่อการผลิตไฮโดรเจนจากไอน้ำ
Year (A.D.)
2019
Document Type
Thesis
First Advisor
Pattaraporn Kim
Faculty/College
Faculty of Engineering (คณะวิศวกรรมศาสตร์)
Department (if any)
Department of Chemical Engineering (ภาควิชาวิศวกรรมเคมี)
Degree Name
Master of Engineering
Degree Level
Master's Degree
Degree Discipline
Chemical Engineering
DOI
10.58837/CHULA.THE.2019.83
Abstract
The effect of CuO as a sintering additive on the electrolyte of solid oxide electrolysis cell (SOEC) was investigated. 0.5 wt.% CuO was added into Sc0.1Ce0.05Gd0.05Zr0.89O2 (SCGZ) electrolyte as a sintering additive. An electrolyte-supported cell (Pt/SCGZ/Pt) was fabricated. Phase formation, relative density, and electrical conductivity were investigated. The cells were sintered at 1373 K to 1673 K for 4 h. The CuO significantly affected the sinterability of SCGZ. The SCGZ with 0.5 wt.% CuO achieved 95% relative density at 1573 K while the SCGZ without CuO could not be densified even at 1673 K. Phase transformation and impurity after CuO addition were not detected from XRD patterns. The electrochemical performance was evaluated at the operating temperature from 873 K to 1173 K under steam to hydrogen ratio at 70:30. Adding 0.5 wt.% CuO insignificantly affected the electrochemical performance of the cell. The activation energy of conduction (Ea) was 72.34 kJ mol-1 and 74.93 kJ mol-1 for SCGZ and SCGZ with CuO, respectively. A thin-cell composed of nickel-Sc0.1Ce0.05Gd0.05Zr0.89O2 (Ni-SCGZ) cathode, SCGZ electrolyte and Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF) anode, having Ni-iron (Ni-Fe) alloy foam (porosity: 5-130 ppi) as a support is successfully fabricated by the sequence wet-chemical coating. The cathode green tape is deposited on the support with viscosity and thermal expansion coefficient (TEC) gradient multi-layers. Two-step firing processes are applied - pre-cathode firing (1373 K, 2 h) and electrolyte sintering (1623 K, 4 h) with multi heating rate and compressive loading. The thickness of functional cathode layer, electrolyte, and anode is 150, 25 and 30 μm, respectively. The fabricated cell of the alloy foam supported SOEC shows excellent current density with 0.95 Acm-2 operated at 1.1 V with H2O:H2 = 70:30, 1073 K, providing hydrogen production rate at 4.95x10-6 mols-1 However, the durability of the cell is rather poor under prolong operation with the degradation rate of 0.08 Vh-1
Other Abstract (Other language abstract of ETD)
CuO ร้อยละ 0.5 โดยน้ำหนัก ถูกใช้เป็นสารช่วยเผาผนึกในกระบวนการเผาผนึกอิเล็กโทรไลต์ชนิด Sc0.1Ce0.05Gd0.05Zr0.89O2 (SCGZ) สำหรับเซลล์อิเล็กโทรไลซิสแบบออกไซด์ของแข็งโดยมีอิเล็กโทรไลต์เป็นตัวรองรับ (Pt/SCGZ/Pt) จากการศึกษาผลการเติม CuO เป็นสารช่วยเผาผนึกอันได้แก่ การเปลี่ยนแปลงวัฏภาคของแข็งในโครงสร้างผลึก ความหนาแน่นสัมพัทธ์และค่าการนำไฟฟ้าของเซลล์ไฟฟ้าเคมีภายหลังการเผาผนึกอุณหภูมิต่างๆกัน (1373 -1673 K) เป็นเวลา 4 ชั่วโมง พบว่าการเติมสารช่วยเผาผนึกดังกล่าวส่งผลต่อการเผาผนึกของ SCGZ อย่างมีนัยสำคัญ กล่าวคือ เซลล์ไฟฟ้าเคมีแสดงความหนาแน่นสัมพัทธ์สูงถึง ร้อยละ 95 ณ อุณหภูมิการเผาผนึก 1573 K ในขณะที่ SCGZ ที่ไม่มีการเติมสารเผาผนึกให้ความหนาแน่นสัมพัทธ์ต่ำ แม้ว่าการเผาผนึกถูกดำเนินการ ณ อุณหภูมิสูง 1673 K ในขณะที่โครงสร้างผลึกภายหลังการเผา SCGZ โดยการเติม CuO ไม่พบการปนเปื้อนของวัฏภาคแปลกปลอมในโครงสร้างผลึก อีกทั้งการประเมินความสามารถทางไฟฟ้าเคมีที่อุณหภูมิการทำงาน 873 K ถึง 1173 K ภายใต้อัตราส่วนไอน้ำต่อไฮโดรเจนที่ 70:30 พบว่าการใช้ CuO ร้อยละ 0.5 โดยน้ำหนัก ไม่ส่งผลต่อความสามารถทางไฟฟ้าเคมีของเซลล์ โดยพลังงานกระตุ้นของการนำไฟฟ้า (Ea) ของเซลล์ SCGZ และ SCGZ ที่มีการใช้ CuO มีค่าเท่ากับ 72.34 kJmol-1 และ 74.93 kJmol-1 ตามลำดับ ภายหลังการศึกษาอิเล็กโทรไลท์ชนิด SCGZ ที่มีการเติม CuO เป็นสารช่วยเผาผนึกถูกนำมาใช้งานในการขึ้นรูปเซลล์อิเล็กโทรไลซิสแบบออกไซด์ของแข็งที่มีโฟมนิกเกิลอัลลอยด์ชนิดนิกเกิลเหล็ก (Ni-Fe) ที่ความพรุน 5-130 ppi เป็นตัวรองรับเพื่อการผลิตไฮโดรเจนจากไอน้ำโดยมี Ni-SCGZ และ Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF) เป็นขั้วแคโทดและแอโนด ตามลำดับ การขึ้นรูปเซลล์ไฟฟ้าเคมีบนตัวรองรับดังกล่าวใช้วิธีการชุบเคลือบเคมีแบบเปียกด้วยสารละลายต่างๆ โดยชั้นแคโทดถูกขึ้นรูปด้วยสารละลายแคโทดที่มีความหนืดและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนไล่ระดับตามลำดับการชุบเคลือบ ภายหลังการชุบเคลือบชั้นแคโทด ชิ้นงานดังกล่าวถูกนำไปเผาที่อุณหภูมิ 1373 K เป็นเวลา 2 ชั่วโมง จากนั้นชิ้นงานจะถูกชุบเคลือบแบบจุ่มด้วยสารละลายอิเล็กโทรไลต์ตามด้วยการเผาผนึกที่อุณหภูมิ 1623 K เป็นเวลา 4 ชั่วโมง ด้วยกรรมวิธีทางความร้อนที่เหมาะสม ซึ่งพบว่า การใช้อัตราการทำความร้อนแบบหลายขั้นตอนและการให้แรงกดอัดคงที่ระหว่างการเผาประสบผลสำเร็จในการขึ้นรูปเซลล์ ผลการขึ้นรูปพบว่าความหนาของชั้นแคโทด อิเล็กโทรไลต์และแอโนด คือ 150 25 และ 30 ไมโครเมตร ตามลำดับ โดยเซลล์อิเล็กโทรไลซิสชนิดดังกล่าวแสดงความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่มีค่าสูงเท่ากับ 0.95 Acm-2 ที่ 1.1 V ภายใต้อัตราส่วนไอน้ำต่อไฮโดรเจนที่ 70:30 อุณหภูมิ 1073 K โดยคิดเป็นอัตราการผลิตไฮโดรเจนได้เท่ากับ 4.95x10-6 mols-1 อย่างไรก็ตามความทนทานของเซลล์ในระยะยาวยังคงมีประสิทธิภาพต่ำ โดยมีอัตราการสลายตัวของเซลล์ที่ 0.08 Vh-1
Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-No Derivative Works 4.0 International License.
Recommended Citation
Visvanichkul, Ramin, "Fabrication and electrochemical performance of nickel-alloy-foam-supported solid oxide electrolysis cell for hydrogen production from steam" (2019). Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD). 8459.
https://digital.car.chula.ac.th/chulaetd/8459