بهینه سازی پارامترهای فرآیند ریخته گری نواری زیرکونیا تثبیت شده با ایتریا به وسیله طراحی تاگوچی به عنوان الکترولیت پیل سوختی اکسید جامد

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

مقاله 6، دوره 7، شماره 28، مرداد و شهریور 1396، صفحه 47-56   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

سارا پایدار^{* 1}؛ محمد حسین شریعت²؛ سیروس جوادپور²

¹دانشجو دکتری، دانشکده مهندسی، بخش مهندسی مواد

²استاد، دانشگاه شیراز، دانشکده مهندسی، بخش مهندسی مواد

تاریخ دریافت: 10 اسفند 1394،  تاریخ بازنگری: 07 خرداد 1395،  تاریخ پذیرش: 25 آبان 1396 

چکیده

در پژوهش حاضر، بهینه­سازی پارامترهای موثر در فرآیند ریخته­گری نواری برای تولید فیلم ضخیمی از ترکیب زیرکونیای تثبیت شده با ایتریا (YSZ8)، جهت استفاده به عنوان الکترولیت جامد در پیل­های سوختی اکسید جامد (SOFC) مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور، طراحی تاگوچی با در نظر گرفتن خصوصیاتی از دوغاب و فیلم ایجاد شده شامل ویسکوزیته دوغاب و دانسیته خام نمونه­های تولیدی و متغیرهایی نظیر درصد فاز جامد، درصد چسب و نسبت پلاستیسایزر به چسب، استفاده شد. نتایج حاکی از آن است که درصد فاز جامد بیش‌ترین تاثیر را بر ویسکوزیته دوغاب و دانسیته خام دارد. لذا دوغابی حاوی حداکثر فاز جامد ممکن (65 درصد وزنی دوغاب) با درصدی مناسب از چسب (6 درصد وزنی فاز جامد مورد استفاده) و پلاستیسایزر (معادل درصد چسب مورد استفاده) که ویسکوزیته قابل قبولی را ایجاد نماید، می­تواند به عنوان دوغاب بهینه انتخاب شود. سپس نمونه تولید شده در شرایط بهینه، در دمای °C1450به مدت 2 ساعت سینتر گردید. دانسیته نهایی نمونه سینتر شده معادل 97 درصد دانسیته تئوری تعیین شد. هدایت یونی نمونه سینتر شده به روش طیف­نگاری امپدانس در محدوده دمایی 300 تا 800 درجه سانتی­گراد اندازه­گیری و معادل (Ω.cm)^{-1 5-}10×088/1 در دمای °C300 و                 (Ω.cm)^-12-10×27/2 در دمای °C800 تعیین شد.      

کلیدواژه‌ها

ریخته گری نواری؛ الکترولیت؛ دانسیته؛ طراحی تاگوچی

عنوان مقاله [English]

Optimization of parameters for tape casting of yttria stabilized zirconia (YSZ8) by Taguchi design for electrolyte solid oxide fuel cell

نویسندگان [English]

S paydar¹؛ M.H Shariat²؛ S Javadpou²

چکیده [English]

In the present study, optimization parameters for the tape casting is studied to produce a Yttria-stabilized zirconia (YSZ8) thick films for using as solid electrolytes in solid oxide fuel cell (SOFC). Taguchi designed experimental procedure was used to consider the characteristics of the slurry, such as the percentage of solid phase, binder and the ratio of plasticizers to the binder. The results indicated that the percentage of solid-phase have the greatest influence on the slurry viscosity and green density. Therefore the slurry containing the maximum possible solid-phase with the proper percentage of binder and plasticizers which provides an acceptable viscosity, can be selected as the proper slurry. This slurry is used to produce a relatively dense tape which sintered at 1450°C for 2 h. The density of sintered tape was 97% of theoretical density. The ionic conductivity of the sintered sample was determined with impedance measurement in temperature range of 300 to 800^oC. The measured conductivities were 1.088×10^-5 Ω^-1.cm^-1 at 300^oC and 2.27×10^-2Ω^-1.cm^-1 at 800^oC.

کلیدواژه‌ها [English]

Tape Casting, Electrolyte, Density, Taguchi Design

مراجع

1-         R. V. Wandekar, B. N. Wani, and S. R. Bharadwaj, “Crystal structure, electrical conductivity, thermal expansion and compatibility studies of Co-substituted lanthanum strontium manganite system,” Solid State Sci., vol. 11, no. 1, pp. 240–250, 2009.

2-         T. Baquero, J. Escobar, J. Frade, and D. Hotza, “Aqueous tape casting of micro and nano YSZ for SOFC electrolytes,” Ceram. Int., vol. 39, no. 7, pp. 8279–8285, 2013.       

3-         B. Steele, “Fuel-cell technology: Running on natural gas,” Nature, vol. 400, no. August, pp. 619–621, 1999.

4-         S. Ramanathan and M. B. Kakade, “Aqueous slurry processing of monolithic films for SOFC – YSZ, LSM and YSZ–NiO systems,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 36, no. 22, pp. 14956–14962, 2011.

5-         M. Liu, D. Dong, R. Peng, J. Gao, J. Diwu, X. Liu, and G. Meng, “YSZ-based SOFC with modified electrode/electrolyte interfaces for operating at temperature lower than 650 °C,” J. Power Sources, vol. 180, no. 1, pp. 215–220, 2008.    

6-         M. Liu, Z. Liu, M. Liu, and L. Nie, “Fabrication and characterization of functionally-graded LSCF cathodes by tape casting,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 38, no. 2, pp. 1082–1087, 2013.    

7-         a. Kumar, P. S. Devi, and H. S. Maiti, “Effect of metal ion concentration on synthesis and properties of La0.84Sr0.16MnO3 cathode material,” J. Power Sources, vol. 161, no. 1, pp. 79–86, 2006.

8-         G. J. Li, Z. R. Sun, H. Zhao, C. H. Chen, and R. M. Ren, “Effect of temperature on the porosity, microstructure, and properties of porous La0.8Sr0.2MnO3 cathode materials,” Ceram. Int., vol. 33, no. 8, pp. 1503–1507, 2007.

9-         D. Hotza and P. Greil, “Review: aqueous tape casting of ceramic powders,” Mater. Sci. Eng. A, vol. 202, no. 1–2, pp. 206–217, 1995.        

10-       M. P. Albano and L. B. Garrido, “Aqueous tape casting of yttria stabilized zirconia,” Mater. Sci. Eng. A-Structural Mater. Prop. Microstruct. Process., vol. 420, no. 1–2, pp. 171–178, 2006.

11-       L. H. Luo, A. I. Y. Tok, and F. Y. C. Boey, “Aqueous tape casting of 10mol%-Gd2O3-doped CeO2 nano-particles,” Mater. Sci. Eng. A, vol. 429, no. 1–2, pp. 266–271, 2006.           

12-       J. Gurauskis, C. Baudín, and  a. J. Sánchez-Herencia, “Tape casting of Y-TZP with low binder content,” Ceram. Int., vol. 33, no. 6, pp. 1099–1103, 2007.

13-       K. Do Kim, D. W. Choi, Y.-H. Choa, and H. T. Kim, “Optimization of parameters for the synthesis of zinc oxide nanoparticles by Taguchi robust design method,” Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp., vol. 311, pp. 170–173, 2007.          

14-   ر. معمارزاده، س. جوادپور و ف. پناهی، " بهینه سازی عوامل موثر بر اندازه نانو ذرات اکسید قلع به روش تاگوچی"، مجله مواد نوین، جلد 2، شماره 3، ص 11-20، بهار 1391. 

15- M. Ghatee, M.H. Shariat, J.T.S. Irvine, “Investigation of electrical and mechanical properties of 3YSZ/8YSZ composite electrolytes,” Solid State Ionics, vol. 180, pp. 57–62, 2009.