Coating of La0.3Sr0.7Fe0.7Cr0.3O3-δ and La0.3Ca0.7Fe0.7Cr0.3O3-δ cathode layers on GDC ceramics by electrospray deposition (ESD)

Abstract

High temperatures are needed to rapidly transfer of oxygen ions between layers during the chemical energy to electrical energy conversion in solid oxide fuel cells (SOFC). Nevertheless, intermediate-temperature SOFCs are preferred to increase their lifetime and reduce maintenance and production costs. The performance of IT-SOFCs depends particularly on the microstructure and electrochemical properties of the cathode layer. In this study, cobalt-free La0.3Sr0.7Fe0.7Cr0.3O3-δ and La0.3Ca0.7Fe0.7Cr0.3O3-δ cathode layers were coated on GDC ceramic pellets by ESD method. The aim of the thesis was to have better structural and electrochemical properties of coatings than the literature. ESD provides the atomization of liquids with the help of electrical forces. ESD is an effective method for forming coatings with desired compositions. By changing ESD parameters, different structural properties such as reticular, cracked, and dense were obtained. Reticular structures are useful for easier oxygen transfer with increased surface area. Effects of parameters were examined by Plackett-Burman design, and the most effective parameter was found as flow rate. The quality of the coatings was evaluated by quantitative scoring. The 16th sample, which was coated with solution E, got the best score. Parameters of 16th sample were used in the investigation of the effects of different solutions on the coatings. 8 different solutions named A to H were prepared with different solvents and precursor salts. Coating by solution E shows better EIS results than the literature as 0.22 Ω.cm2. Coatings by solution G and A show close values to the literature as 0.29 Ω.cm2, and 0.34 Ω.cm2, respectively.

Katı oksit yakıt hücrelerinde (KOYH) kimyasal enerjiden elektrik enerjisi dönüşümü sırasında katmanlar arası oksijen iyonlarının hızlı transferi için yüksek sıcaklıklara ihtiyaç duyulsa da kullanım ömürlerini arttırmak, bakım ve üretim maliyetlerini düşürmek için orta sıcaklık KOYH'ler tercih edilir. OS-KOYH'lerde performans, özellikle katot katmanının mikroyapısı ve elektrokimyasal özelliklerine bağlıdır. Kobalt içermeyen La0.3Sr0.7Fe0.7Cr0.3O3-δ ve La0.3Ca0.7Fe0.7Cr0.3O3-δ katot tabakaları ESD yöntemi ile GDC seramik peletler üzerine kaplanarak literatüre göre daha iyi yapısal ve elektrokimyasal özelliklere sahip olması amaçlanmıştır. ESD yöntemi, elektriksel kuvvetlerin yardımıyla sıvıların atomize edilmesini sağlamakta ve istenilen bileşimlerde kaplamalar oluşturmak için etkili bir yöntem olduğu için tercih edilmiştir. ESD parametrelerinin değişimleriyle katot tabakasının mikroyapısı kontrol edilerek mercanımsı, çatlak ve yoğun gibi farklı yapı özellikleri elde edilmiştir. Mercanımsı yapıların en önemli avantajı, daha kolay oksijen transferinin ve daha verimli oksijen indirgeme reaksiyonlarının (ORR) yer alacağı yüzey alanlarının arttırılmasıdır. Farklı parametre etkileri incelenmiş, deneysel tasarım yöntemi olan Plackett-Burmann yaklaşımı ile en etkili parametre akış hızı olarak bulunmuştur. Kaplamaların tercih edilen yapı özelliklerine göre uygunluğu, nicel puanlama ile değerlendirilmiştir. Buna göre en iyi puanı, E solüsyonu ile kaplanan 16. numune almıştır. Bu numunenin deneysel parametreleri farklı solüsyonların kaplama üzerindeki etkilerinin incelenmesi aşamasında kullanılmıştır. Bu aşamada farklı çözücüler ve öncül tuzlarla A'dan H'ye kadar isimlendirilen 8 farklı solüsyon hazırlanarak kaplamalar yapılmıştır. E, G ve A solüsyonları ile yapılan kaplamalardan elde edilen EIS ölçümleri sonucunda sırasıyla 0.22 Ω.cm2, 0.29 Ω.cm2 ve 0.34 Ω.cm2 değerleri elde edilmiştir. Bu sonuçlar arasında E solüsyonu ile yapılan kaplamadan alınan ölçüm literatürden daha iyi, diğer kaplama ölçümlerinin ise literatüre yakın olduğu görülmüştür.