1 Krakowska Konferencja Młodych Uczonych Kraków 21 września 2007Wybrane właściwości tlenkowych elektrolitów ceramicznych na bazie roztworów stałych MO2 (M =Zr, Ce)                 Andrzej RAŹNIAK , Piotr TOMCZYK -Wydział Paliw i Energii, Magdalena DUDEK - Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Akademia Górniczo – Hutnicza w Krakowie

2 Walther Hermann Nernst (1864-1941)Tlenkowe elektrolitów ceramicznych na bazie roztworów stałych MO2 (M =Zr, Ce) Walther Hermann Nernst ( )                 [1] [2] Zastosowanie tlenkowe elektrolitów ceramicznych: stałotlenkowe ogniwa paliwowe (Solid Oxide Fuel Cell – SOFC) sensory gazowe w motoryzacji i metalurgii pompy tlenowe elektrolizery reaktory chemiczne, itd... [1] ] [2]

3 [4] www.hondapl.org/technika/wtrysk/wykres-lambda.gif]Sonda lambda E – napięcie R – stała gazowa T – temperatura spalin p1(O2) – ciśnienie parcjalne tlenu w powietrzu atmosferycznym p2(O2) – ciśnienie parcjalne tlenu w spalinach p1(O2)                 p2(O2) [3] [4] [http://www.tas-moto.org/opcja.php?kat=leksykon&id=95] [4]

4 SOFC – Solid Oxide Fuel Cell anoda katoda elektrolitPolaryzacja w czasie pracy SOFC                 ITSOFC (self supported) ITSOFC (anode supported) 500 mA/cm mA/cm2 anoda katoda elektrolit [5] [6] [6] TomczykP.; Journal of Power Sources 160 (2006), [5]

5 Schemat otrzymywania elektrolitów8% mol Y2O3 w ZrO2 (8YSZ) i Ce0.8Gd0.2O2 (20GDC) otrzymanych z proszków uzyskanych metodą prażenia współstrąconych osadów Roztwory azotanów (cyrkonylu i itru) – 8YSZ oraz (ceru i gadolinu) – 20GDC Wkraplanie do wodnego roztworu amoniaku pH = 10 Odsączanie współstrąconych osadów, przemywanie wodą destylowaną a następnie alkoholem etylowym, suszenie w temp. 100°C przez 12 h                 Prażenie osadów, 8YSZ 1000°C, 20GDC 800°C - przez 1h Mielenie proszków w alkoholu izopropylowym - młyn obrotowo-wibracyjny czas 12h Formowanie cylindrycznych pastylek; prasowanie izostatyczne 250 MPa Spiekanie swobodne; 1500°C – 2h (8YSZ); 1600°C – 2h (20GDC)

6 Charakterystyka otrzymanych proszkówMorfologia proszków - zdjęcia TEM 8YSZ 20GDC                

7 Charakterystyka spiekówMikrostruktura próbek z badań SEM 8YSZ 20GDC                

8 Właściwości mechaniczneMateriał HV, GPa KIC, MPa·m0,5 8YSZ 12,8± 0,2 2,7 ± 0,3 8YSZ +5 % wag. Al2O3 12,4± 0,3 3,6 ± 0,3 8YSZ + 15 % mol Nd2Ti2O7 [7] 11,2 ±0,4 8,1 ± 0,2 20SDC 8,9±0,7 2,4 ± 0,3 20GDC 8,2±0,4 2,2 ± 0,3                 [7] Liu X., Chen X. 2005: Toughening of 8Y-FSZ Ceramics by Neodymium Titanate Secondary Phase. Journal of the American Ceramic Society 88 (2),

9 Właściwości elektryczne                Zależność przewodności objętości ziaren (sb) od temperatury Widmo impedancyjne

10 Właściwości elektryczne                Zależność przewodności całkowitej od średniej wielkości ziarna spieku 20GDC

11 Zastosowanie mikroelektrod do badania reakcji elektrody tlenowej                Warunki eksperymentu: T = 700°C; p = 1atm

12 Wyznaczenie współczynnika normalizującego GDC YSZ Wyznaczenie współczynnika normalizującego lTPB – długość kontaktu trzech faz                 Wykres admitancji dla mikroelektrody Au T = 700°C; p(O2) =0,1 atm; polaryzacja 0,3V Rys. 6. Wykres impedancji dla mikroelektrody Au na: a) YSZ b) GDC

13 Rs jest niezależne od polaryzacji i czasu eksperymentu                Wykres dla mikroelektrody Au na elektrolicie GDC T = 700°C; p(O2) =0,1 atm;

14 Wyznaczenie współczynnika normalizującegolTPB ze wzoru Newmana dla elektrody okrągłej Rs opór elektrolitu wyznaczony z pomiaru EIS el przewodność elektrolitu lTPB długość kontaktu trzech faz dla elektrody okrągłej dla elektrody eliptycznej                  = a/b a, b duża i mała półoś elipsy

15 Właściwości elektryczne                Porównanie znormalizowanego natężenia prądu w czasie w funkcji polaryzacji E = -0.2 V dla elektrolitów 8YSZ i 20GDC Wykres znormalizowanej impedancji dla elektrolitów 8YSZ () i 20GDC ()

16 Podsumowanie Skład chemiczny, mikrostruktura i technologia wytwarzania mają wpływ na właściwości elektrolitu Możliwe zastosowanie pseudo punktowej elektrody Au w pomiarach CA i EIS Użycie współczynnika normalizującego lTPB (długość granicy kontaktu trzech faz) z odpowiednim współczynnikiem korygującym umożliwia porównanie wyników dla różnych wielkości i kształtów elektrod Większe natężenia prądu w trakcie długotrwałej polaryzacji dla GDC niż dla YSZ oraz wyniki EIS potwierdzają że GDC jest lepszym elektrolitem dla IT-SOFC niż YSZ                

17 Krakowska Konferencja Młodych Uczonych Kraków 21 września 2007DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ Wybrane właściwości tlenkowych elektrolitów ceramicznych na bazie roztworów stałych MO2 (M =Zr, Ce) Andrzej RAŹNIAK , Piotr TOMCZYK -Wydział Paliw i Energii, Magdalena DUDEK - Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Akademia Górniczo – Hutnicza w Krakowie Praca finansowana z badań własnych AGH Andrzej ®