Laboratorium Technologii Wielowarstwowych i Ceramicznych LTCC
Instytut Technologii Elektronowej Oddział w Krakowie
N N507 432233
MNiSW > Projekty badawcze - konkurs 33 > N N507 432233
Elektrodowe warstwy ceramiczne o strukturze perowskitu do czujników gazów i tlenkowych ogniw paliwowych
nr kontraktu: N N507 432233
Opracowanie metodyki otrzymywania i zbadanie właściwości ceramiki i warstw na bazie złożonych niestechiometrycznych tlenków o strukturze perowskitu opartych na domieszkowanych SrMnO3, SrCoO3i SrFeO3, przeznaczonych na elektrody średniotemperaturowych tlenkowych ogniw paliwowych i czujników gazów.
Data rozpoczęcia >> 3.10.2007
Data zakończenia >> 2.07.2010
Czas trwania >> 33 miesiące
Koszt całkowity >> 0,30 mln zł
Państwa uczestniczące >> POLSKA
Podsumowanie projektu
Celem projektu było opracowanie metodyki otrzymywania i zbadanie właściwości ceramiki i warstw na bazie złożonych niestechiometrycznych tlenków o strukturze perowskitu opartych na domieszkowanych SrMnO3, SrCoO3i SrFeO3, przeznaczonych na elektrody średniotemperaturowych tlenkowych ogniw paliwowych i czujników gazów. Przedmiotem badań w ramach projektu były przede wszystkim materiały katodowe oparte na manganicie i kobaltycie strontu, które domieszkowano lantanowcami Ln (La, Ce, Nb, Sm, Gd, Dy, Yb) w pozycji A i żelazem w pozycji B struktury perowskitu. Badano warunki ich syntezy i spiekania. Próbki przygotowano w postaci litej ceramiki, grubych warstw nanoszonych metodą sitodruku oraz folii ceramicznych wytworzonych metodą odlewania. Przeprowadzono pomiary składu fazowego, rozszerzalności termicznej, przewodności elektrycznej w funkcji temperatury i ciśnienia cząstkowego tlenu i współczynnika Seebecka wytworzonych materiałów. Współpracę pomiędzy otrzymanymi elektrodami i elektrolitami stałymi na bazie tlenku cyrkonu i tlenku ceru badano określając siłę elektromotoryczną stężeniowych ogniw tlenowych, przy użyciu spektroskopii impedancyjnej i obserwacji przy użyciu mikroskopu skaningowego. Otrzymana ceramika Sr0.8Ce0.1Ln0.1MnO3-δ i Sr0.9Ce0.05Ln0.05CoO3-δ wykazuje wysoką przewodność elektryczną malejącą ze wzrostem liczby atomowej lantanowca w pozycji A struktury perowskitu. Maksymalne przewodności, uzyskane dla składów zawierających lantan, wynosiły 210 i 22 S/cm w 800°C dla ceramiki i warstw manganitowych oraz 600 i 80 S/cm dla ceramiki i warstw kobaltytowych. Elektrody wykonane przy użyciu technologii grubowarstwowej w postaci porowatych warstw Sr0.8Ce0.1Ln0.1MnO3-δ i zwartych warstw Sr0.9Ce0.05Ln0.05CoO3-δ wykazywały dobrą elektrochemiczną wydajność w tlenowym ogniwie stężeniowym z tlenkiem cyrkonu stabilizowanym tlenkiem itru jako elektrolitem stałym. Jako najkorzystniejsze składy materiałów katodowych wytypowano: Sr0.8Ce0.1La0.1MnO3-δ i Sr0.9Ce0.05La0.05CoO3-δ. Metodą odlewania folii i współspiekania wytworzono testowe ogniwa tlenkowe zbudowane z kompozytowej anody Ni-YSZ-grafit, elektrolitu stałego YSZ i perowskitowej katody Sr0.8Ce0.1La0.1MnO3-δ. Porównano anody zawierające nikiel wprowadzony dwiema metodami: przez zmieszanie tlenków NiO i YSZ oraz przez bezprądową metalizację tlenku cyrkonu. Korzystniejszą, niższą zawartość niklu i lepszą kompatybilność z elektrolitem stałym podczas procesu współspiekania wykazywały anody otrzymane drugą z tych metod. Obie elektrody charakteryzowały się pożądaną porowatą mikrostrukturą i wysokim przewodnictwem elektrycznym, metalicznym w przypadku anody i półprzewodnikowym dla katody. Badane materiały katodowe dzięki mniejszej zawartości lantanowców w porównaniu z typowymi elektrodowymi kompozycjami perowskitowymi, charakteryzowały się niższymi kosztami wytwarzania, zarówno ze względu na cenę surowców, jak i niższą temperaturę spiekania ceramiki. Ponieważ wieloetapowy proces spiekania konwencjonalnych ogniw należy do najbardziej kosztownych operacji, zastosowana w projekcie metodyka pojedynczego procesu współspiekania wszystkich składników ogniwa prowadzi również do znaczącej redukcji kosztów wytwarzania i jest obiecująca z punktu widzenia praktycznego wykorzystania w ogniwach tlenkowych.
Zastosowanie
Materiały opracowane w projekcie mogą znaleźć zastosowanie na elektrody czujników gazów i tlenkowych ogniw paliwowych. Dzięki mniejszej zawartości lantanowców w porównaniu z typowymi elektrodowymi kompozycjami perowskitowymi, charakteryzują się one niższymi kosztami wytwarzania ze względu na cenę surowców i niższą temperaturę spiekania ceramiki.
Praca została wykonana w ramach projektu badawczego nr N N507 432233, dofinansowanego z funduszy Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego.
Źródło: Ośrodek Przetwarzania Informacji – Państwowy Instytut Badawczy
osoba odpowiedzialna: prof. D. Szwagierczak
