Research Paper Sythesis and Characterization of LSCF and LSCF/GDC Cathodes for Solid Oxide Fuel Cell

METALLURGICAL ENGINEERING The Journal of Iranian Metallurgical and Materials Engineering Society Autumn 2016, Volume 19, number 3 Research Paper Sythesis and Characterization of LSCF and LSCF/GDC Cathodes for Solid Oxide Fuel Cell Seyed-Vahidreza Seyed-Vakili 1, *Alireza Babaei 2, Hossein Abdizadeh 3, Saeed Heshmati-Manesh 4 1- PhD Student, School of Metallurgy and Materials Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran. 2- Assistant Professor, School of Metallurgy and Materials Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran. 3- Professor, School of Metallurgy and Materials Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran. 4- Associate Professor, School of Metallurgy and Materials Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran. Citation: Seyed-Vakili S.V, Babaei A. Abdizadeh H, Heshmati-Manesh S. Sythesis and Characterization of LSCF and LSCF/GDC Cathodes for Solid Oxide Fuel Cell. Metallurgical Engineering 2016: 19(3) 168-175 http://dx.doi.org/ 10.22076/me.2017.42924.1074 doi : http://dx.doi.org/ 10.22076/me.2017.42924.1074 ABSTRACT La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3 (LSCF) perovskite oxides have been successfully synthesized by GNP method (Glycine Nitrate Process) to use as a cathode electrode in solid oxide fuel cells. X-ray diffraction (XRD) results showed formation of single phase LSCF powder without presence of any impurity. In this study, LSCF and LSCF/GDC inks were used as cathode material. The inks were analyzed with an in-situ sintering study where the in-plane conductivity was used to investigate the effect of different sintering temperatures on the conductivity of the electrodes. Compared to LSCF cathode, it was shown that LSCF/GDC has lower in-plane conductivity due to the present of GDC, which is not an electronic conductor at high temperature. Electrochemical analysis was performed at different temperatures to deeply understand the behavior of the cathode materials. A two-electrode configuration was used to measure the impedance of the cells. LSCF/GDC cathode manifest good performances with polarization resistance of 0.027 Ω cm 2 at 750 Cin the air atmosphere. Keywords: SOFC, Cathode electrode, LSCF, GDC, Impedance * Corresponding Author: Alireza Babaei, PhD Address: School of Metallurgy and Materials Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran. Tel: +98(21) 61114607 E-mail: alireza.babaei@ut.ac.ir 168

3 شماره. 19 دوره. 1395 پاییز سوختی پیل در استفاده منظور به LSCF/GDC و LSCF کاتد الکترودهای هیابی مشخص و سنتز جامد اکسید 4 منش حشمتی سعید 3 زاده عبدی حسین 2 بابائی علیرضا * 1 سیدوکیلی سیدوحیدرضا ايران. تهران تهران دانشگاه فنی دانشکدههای پردیس مواد و متالورژی مهندسی دانشکده دکتری دانشجوی 1- ايران. تهران تهران دانشگاه فنی دانشکدههای پردیس مواد و متالورژی مهندسی دانشکده استادیار 2- ايران. تهران تهران دانشگاه فنی دانشکدههای پردیس مواد و متالورژی مهندسی دانشکده استاد 3- ايران. تهران تهران دانشگاه فنی دانشکدههای پردیس مواد و متالورژی مهندسی دانشکده دانشیار 4- چکیده منظور به )Glycine Nitrate Process-GNP( گالیسین کمک به سنتز روش هی وسیل به (LSCF)La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3 پروسکایتی و اکسیدی ساختار پژوهش این در صورت به سنتزشده LSCF ماده حضور دهنده نشان )X-ray Diffraction-XRD( ایکس پرتو پراش آنالیز از حاصل نتایج شد. سنتز جامد اکسید سوختی پیل در استفاده به LSCF/GDC کامپوزیت صورت به )GDC( گادولونیم با شده آالییده سریای با شدن مخلوط از پس همچنین و جداگانه صورت به شده سنتز LSCF پودر است. کفاز ت دماهای در ای نقطه چهار های صفح هدایت اندازهگیری روش هی وسیل به الکترودها هیابی مشخص ابتدا در گرفت. قرار بررسی مورد جامد اکسید سوختی پیل کاتد الکترود عنوان یک عنوان به GDC ماده حضور دلیل به نتری پایی الکتریکی هدایت دارای LSCF/GDC کامپوزیت الکترود دو بین مقایسه از گرفت. صورت درجا صورت به گوناگون پخت الکتریکی هدایت بودن کمتر وجود با گرفت. صورت الکترودی ماده رفتار قتر عمی مطالعه منظور به الکتروشیمیایی اندازهگیری همچنین بود. ساختار در الکتریسیته عایق مقاومت که طوری به داد نشان خود از باالتر یونی هدایت دلیل به را بهتری عملکرد LSCF/GDC الکترود LSCF کفاز ت الکترود به نسبت LSCF/GDC کامپوزیتی الکترود گردید. حاصل هوا در 750 C دمای در 0/027 Ω.cm 2 برابر پالریزاسیون امپدانس LSCF GDC کاتد الکترود جامد اکسید سوختی پیل کلیدی: واژههاي مقدمه 1. اکسید سوختی پیل انرژی کننده تولید و مبدل یک عنوان به از استفاده امکان زیست محیط برای نبودن مضر بر عالوه جامد هنگام به همچنین میکند) 1,2 (. ارائه را مختلفی سوختهای میشود تولید نیز گرما مقداری سوختی های پیل کارکرد مورد 1 گرما و برق همزمان تولید مهای سیست در یتواند م که عنوان به کاتد الکترود که آنجایی از گیرد) 3,4 (. قرار استفاده به سوختی پیل یک در کل مقاومت ایجاد در مهم بخش یک و الکترود این مشخصهیابی و مطالعه لذا میرود) 5,6 ( شمار است. ضروری بسیار آن خواص بهبود برای تالش بسیار کارایی با کاتدی ماده یک عنوان به LSCF ماده اخیر سالهای در متوسط کاری دماهای در ویژه به مناسب ویژگی است) 7,8 (. گرفته قرار پژوهشگران توجه مورد بسیار کاهش واکنش برای ماده این مناسب بسیار الکتروکاتالیستی دالیل اصلیترین مناسب یونی هدایت همراه به 2 اکسیژن پیل کاتد الکترود عنوان به ماده این از استفاده به توجه هادی ماده افزودن است) 9,10 (. بوده جامد اکسید سوختی خاصیت افزایش باعث LSCF به (Ce 0.9 Gd 0.1 O 2-δ ) GDC یون از اما میشود) 11 (. آن یونی هدایت و الکتروکاتالیستی مدت طوالنی پایداری افت بر مبنی گزارشهایی دیگر سوی نیز GDC حضور دلیل به LSCF/GDC کامپوزیتی الکترودهای است) 12,13 (. شده ارائه LSCF مواد روی بیشتر مطالعه منظور به پژوهش این در شیمیایی روش به LSCF ماده سنتز از پس LSCF/GDC و بررسیهای و صفحهای هدایت سنجش آزمایشهای صورت به تا گرفت صورت ساختاری و الکتروشیمیایی گیرند. قرار بررسی مورد الکترود دو این خواص قتری عمی 2. Oxygen reduction reaction (ORR) 1. CHP: combined heat and power system مسئول: نویسنده * بابائي عليرضا دكتر مواد و متالورژي مهندسي دانشكده فنی دانشکدههای پردیس تهران دانشگاه تهران نشانی: +98 )21( 61114607 تلفن: alirezababaei@ut.ac.ir الکترونیکی: پست 169

سنتز و مشخص هیابی الکترودهای کاتد LSCF و LSCF/GDC به منظور استفاده در پیل سوختی اکسید جامد پاییز. 1395 دوره. 19 شماره 3 2. روش انجام آزمایش روش GNP برای تولید پودر LSCF مورد استفاده قرار Co(NO 3 ) 3.9H 2 O La(NO 3 ) 3.6H 2 گرفت. از مواد اولیه O Fe(NO 3 تهیه شده از شرکت Aldrich با خلوص ) 2.6H 2 و O Sr(NO 3 تهیه شده از شرکت Alfa با خلوص ) 2 %99/9 و %99/9 به عنوان مواد اولیه برای سنتز پودر LSCF استفاده (La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-z شد. به منظور سنتز ترکیب )LSCF پس از حل کردن مقادیر استوکیومتری 3 مناسب از مواد اولیه در آب یون زدوده شده 4 مقدار مناسبی از گالیسین به نسبت مولی 1 به 1/5 از نیترات به گالیسین به محلول اضافه شد. محلول حاصل در دمای 80 C به مدت 4 ساعت به وسیلهی همزن مغناطیسی مخلوط شد. سپس دما به مقدار اندکی افزایش یافت تا آب محلول تبخیر شده و ژل حاصل شود. پس از واکنش احتراقی خاکستر حاصل از درون ظرف جمع آوری شد و در دمای 1050 C به مدت 2 ساعت مورد عملیات حرارتی قرار گرفت. جهت اطمینان از نوع فاز تشکیل شده پودر سنتز شده به وسیلهی دستگاه پراش اشعه ایکس PW-1730( )XRD, Philips مورد بررسی قرار گرفت. جهت تولید جوهر 5 کامپوزیت LSCF/GDC (La 0.6 پودر LSCF سنتز شده Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-δ /Ce 0.9 Gd 0.1 O 2 ) با پودر GDC و مقدار مناسبی از ماده محمل مرکب 6 هر دو تهیه شده از شرکت سازنده Fuel Cell Materials در یک آسیاب گلولهای کم انرژی مخلوط شدند. نسبت پودرهای LSCF به GDC معادل 60 به 40 انتخاب شد. جوهر LSCF نیز از مخلوط کردن پودر LSCF سنتز شده با محمل مرکب به دست آمد. 7 هردو جوهر تولید شده به وسیلهی روش چاپ صفحهای 8) mol%y 2 الیه نشانی شدند. O 3 in ZrO 2 روی زیر الیه )YSZ به منظور هدایت سنجی نمون هها در دماهای پخت متفاوت از روش اندازهگیری هدایت صفحهای چهار الکترودی 8 Van der Pauw استفاده شد. روش کار به این صورت بود که نمونههای الیه نشانی شده با ابعاد 3 3 cm درون کورهی طراحی شده برای آزمایش هدایت سنجی قرار گرفتند. هدایت سنجی در دماهای پخت 1000 900 و 1100 C صورت گرفت. از آنجایی که در دمای باالتر از 600 C چسب و مواد افزودنی به جوهر از بین م یروند در دماهای باال انقباض چشمگیری صورت نم یگیرد به همین دلیل میتوان فرض کرد که در محدوده دمایی پخت اختالف ضخامت به صورت معنادار نخواهد بود. لذا ضخامت نمونهها پس از پخت کامل جهت محاسبات هدایت الکتریکی برای کلیه دماها مدنظر قرار داده شد. شکل 1. تصویر شماتیک سیستم اندازهگیری 2 الکترودی. به منظور انجام اندازهگیریهای الکتروشیمیایی الکترودها برای کاربرد در الکترود کاتد پیل سوختی اکسید جامد از یک سیستم اندازهگیری طراحی شده با 2 الکترود )سلول متقارن ) 9 استفاده شد. هر سلول الکتروشیمیایی به منظور آزمایش اندازهگیری امپدانس 10 به روش زیر تهیه شد: 1. جوهر GDC به عنوان الیه محافظ جهت جلوگیری از واکنش مخرب YSZ و LSCF روی دو طرف الکترولیت Co.) YSZ (Kerafol به وسیلهی روش چاپ صفحهای الیه نشانی شد. 2. عملیات پخت برای الیه محافظ GDC در دمای 1250 C به مدت 3 ساعت )14( صورت گرفت. 3. الکترود کاتد به وسیلهی روش painting روی هر دو الیه محافظ الیه نشانی شد. 4. عملیات پخت الکترودها در دماهای 900 و 1000 C تحت آتسمفر هوا صورت گرفت. شکل 1 تصویر شماتیک سلول تولید شده را نشان میدهد. پس از عملیات الیه نشانی و پخت ضخامت الکترولیت الیه محافظ و الکترودها به ترتیب 10 200 µm و 30 اندازهگیری شد. اندازهگیری الکتروشیمیایی امپدانس به وسیلهی دستگاه PARASTAT 2273 در محدوده دمایی 750 الی 850 C در محدوده فرکانس 0/1 Hz تا 2 MHz صورت گرفت. به منظور محاسبه مقاومت پالریزاسیون و اهمی سلولها مدلسازی نمودارهای امپدانس با استفادهاز نرم افزار Zsimpwin انجام شد. همچنین از میکروسکوپ الکترونی روبشی )S360 )SEM, Cambridge جهت بررسی ریزساختاری مواد استفاده شد. نرم افزار MIP نیز به منظور تحلیل تصاویر مورد استفاده قرار گرفت. 3. نتایج و بحث سنجش فازی به کمک آنالیز پراش پرتو ایکس شکل 2 نتیجه پراش پرتو ایکس در دمای محیط برای ماده 9. Symmetric Cell 10. Impedance 3. Stoichiometry 4. Deionized water 5. Inks 6. Ink Vehicle 7. Screen Printing 8. Four probe method 170

3 شماره. 19 دوره. 1395 پاییز 168-175 همکاران: و بابائی علیرضا هی وسیل به شده سنتز LSCF ماده برای ایکس پرتو پراش نمودار شکل 2. حرارتی عملیات مورد ساعت 2 مدت به 900 C دمای در که GNP روش است. گرفته قرار گوناگون. دماهای در LSCF ماده برای صفحه در هدایت شکل 3. این یدهد. م نشان را GNP روش وسیلهی به شده سنتز LSCF ثانیه 2 نرخ با و درجه 80 الی 20 محدوده برای اندازهگیری مشخص 2 شکل در که همانگونه است. بوده 11 مرحله هر در فاز هیچگونه بدون و کامل صورت به LSCF فاز است شده ایکس پرتو پراش نمودار همچنین است. شده تشکیل اضافی و 12 کنسیسائو پژوهش از آمده بدست نتیجه با کاملی تطابق )15(. دارد 00-048-0124 مرجع کارت شماره و همکارانش و الکترود مشترک فصل در جدایش دهنده نشان SEM تصویر شکل 4. 1100. C دمای در پخت عملیات از پس الکترولیت میدهد نشان 4 شکل SEM تصویر گرفت. قرار ریزساختاری حرارتی انبساط ضریب اختالف دلیل به 1100 C دمای در که ایجاد الکترولیت و الکترود میان جدایشی الکترولیت و الکترود است. آمده وجود به ترک الکترود ساختار در نیز و است شده هم به ساختار شدن شکسته موجب شده ایجاد ترک احتماال دمای در LSCF هدایت افت باعث و شده الکترودی پیوسته است. شده 1100 C سرد منحنی همراه به سنجی هدایت آزمایشهای نتایج نتایج است. شده داده نشان 5 شکل در الکترود دو هر شدن هدایت باالترین به LSCF و LSCF/GDC مواد که یدهد م نشان 52 و 30 S.cm 1- مقدار به ترتیب به 675 C دمای در خود همکارانش و 15 اسکورول که نتایجی از مقادیر این یرسند. م هدایت بیشینه آنها است) 14 (. کمتر اندکی آوردند بدست به LSCF ماده برای 59 S.cm 1- مقدار به 600 C دمای در را و LSCF تکفاز الکترودهای میان مقایسه در آوردند. دست الکتریسیته عایق که GDC فاز حضور LSCF/GDC کامپوزیت 15. Esquirol های صفح هدایت هگیری انداز در و زمان طول در LSCF هدایت اندازهگیری از حاصل نتایج شکل در است. شده داده نشان 3 شکل در مختلف دماهای در هدایت LSCF ماده دما افزایش با که میشود مشاهده 3 هک میرسد نظر به یدهد. م نشان خود از بیشتری 13 صفحهی بهتری اتصال LSCF دانههای و ذرات پخت دمای افزایش با اثر در که ماده تخلخلهای کاهش و کرده برقرار یکدیگر به شده ساختار هدایت افزایش موجب میافتد اتفاق باالتر دمای گزارش نیز همکارانش و 14 نیلسن توسط نتیجه این است. زمان افزایش با 1000 C و 900 دماهای در است) 16 (. شده بیشینه به رسیدن از پس و است یافته افزایش هدایت پخت هدایت افزایش در تأثیری نگهداری زمان افزایش هدایت صادق 1000 C از باالتر دمای در روند این اما است. نداشته بیشینه به رسیدن از پس شده اندازهگیری هدایت و نیست متداول پدیده یک این که یکند م افت به شروع ناگهان خود پدیده این توصیف برای یرود. نم شمار به سرامیکها مورد در بررسی مورد 1100 C دمای در شده پخته ه نمون ساختار 11. Step 12. Conceição 13. In-plane Conductivity 14. Nielsen 171

سنتز و مشخص هیابی الکترودهای کاتد LSCF و LSCF/GDC به منظور استفاده در پیل سوختی اکسید جامد پاییز. 1395 دوره. 19 شماره 3 یک جای خالی مستلزم از بین رفتن دو الکترون-حفره 16 است. است در ساختار کامپوزیت باعث کاهش هدایت آن شده است. همچنین الکترود کامپوزیتی نسبت به الکترود تکفاز دارای افت هدایت کمتری نسبت به دما پس از رسیدن به بیشینه هدایت خود است. تای و همکارانش )17( گزارش کردند که در دمای باالتر از 600 C ماده LSCF به دلیل افزایش تشکیل جاهای خالی اکسیژن منبسط شده و به همین دلیل حاملهای جریان الکتریسیته کاهش مییابند. چراکه ایجاد مشخص هیابی ساختاری و الکتروشیمیایی الکترودها ریزساختار الکترودهای LSCF و LSCF/GDC که در دماهای 900 و 1000 C پخته شدهاند در شکل 6 نشان داده شده است. تصاویر SEM تغییر قابل توجهی در ساختار LSCF به همراه افزایش دمای پخت از 900 به 1000 C از خود نشان نم یدهد. در واقع به نظر میرسد در دمای 900 C نیز امکان رسیدن به ساختاری با اتصال مناسب بین ذرات LSCF وجود دارد. در مورد الکترود کامپوزیتی LSCF/GDC با افزایش دمای پخت مقداری انقباض در الکترود قابل مشاهده است. آزمون الکتروشیمیایی امپدانس به منظور بررسی دقی قتر و بیشتر تأثیر دمای پخت روی خواص الکترودها انجام شد. شکل 7 نمودارهای نایکوئیست 17 برای الکترودهای LSCF و LSCF/ GDC که در دمای 750 C اندازهگیری شده را نشان م یدهد. تمامی نمودارهای نایکوئیست به وسیلهی نرم افزار 18 KramersKronig پس از اصالح توسط تبدیل Zsimpwin مورد بررسی قرار گرفتند. کلیه نمودارها بر اساس این تحلیل 16. Electron-Hole 17. Nyquist 18. Transform شکل 5. نتایج هدایت سنجی به همراه منحنی سرد شدن مواد LSCF و.LSCF/GDC شکل 6. ریزساختار الف( الکترود LSCF زینتر شده در دمای 1000 C ب( الکترود LSCF زینتر شده در دمای 900 C ج( الکترود LSCF/GDC زینتر شده در دمای 1000 C و د( الکترود LSCF/GDC زینتر شده در دمای 900. C 172

پاییز. 1395 دوره. 19 شماره 3 علیرضا بابائی و همکاران: 168-175 )الف( شکل 7. نمودار نایکوئیست برای الکترودهای الف( LSCF و ب( LSCF/GDC اندازهگیری شده در دمای 750. C )ب( )الف( )ب( شکل 8. الف( دادههای اندازهگیری شده در دمای 750 C و انطباق داده شده برای الکترود LSCF/GDC پخته شده در دمای 1000 C ب( مدار معادل برای انطباق نمودارهای امپدانس الکترودهای LSCF و.LSCF/GDC که دارای سه بخش فرکانسهای کم متوسط و باال هستند آنالیز شدند. با توجه به تحلیل ارائه شده در منابع برای الکترود LSCF بخش فرکانس پایین این نمودارها مربوط به واکنش انتقال جرم و نفوذ گاز است فرکانسهای متوسط مربوط به واکنش انتقال جریان الکتریکی و یونی برای واکنش کاهش اکسیژن میباشد و فرکانسهای باال نیز مرتبط با مقاومت مرزهای دانه الکترولیت و فصل مشترک الکترولیت/الیه محافظ میانی است )18 20(. با توجه به توضیحات مذکور R 0 مدار معادل سلول الکتروشیمیایی به صورت -RQ-G-W به دست آمد که در شکل 8 نشان داده شده است. در این R 0 نشان دهنده مقاومت اهمی الکترولیت الیه محافظ مدل میانی و الکترود بوده RQ معرف بخش فرکانس باالی واکنش الکترود G معرف مقاومت الکتروشیمیایی واکنش کاهش اکسیژن برای مواد دارای هدایت یون و الکترون همزمان )21( و (Warburg) W معرف نفوذ گاز میباشد )21,22(. همانگونه که در شکل 7 نشان داده شده است مقاومت اهمی سلول با افزایش دمای پخت برای هر دو نمونه LSCF و LSCF/GDC کاهش مییابد. از آنجایی که الکترولیت و الیه میانی قبل از پخت الکترود در دماهای باالتری نسبت به دمای پخت الکترود مورد عملیات حرارتی قرار گرفتهاند این کاهش مقاومت اهمی ناشی از اتصال مناسبتر الکترود کاتد و الیه محافظ میانی GDC است. همچنین اتصال مناسبتر ذرات الکترودی به یکدیگر که در نتایج هدایت سنجی و بررسی ریزساختاری مشاهده شد نیز میتواند از جمله عوامل کاهش 173

جامد اکسید سوختی پیل در استفاده منظور به LSCF/GDC و LSCF کاتد الکترودهای هیابی مشخص و سنتز 3 شماره. 19 دوره. 1395 پاییز زا تهایاهمی مقاوم بهتر مقایسه )جهت 1000 C دمای در شده پخته LSCF الکترود برای گوناگون دماهای در شده اندازهگیری امپدانس نمودار شکل 9. شدهاند( حذف امپدانس نمودارهای همچنین الکترود اجزاء بین اتصال بهبود باشد. اهمی مقاومت را آن پالریزاسیون مقاومت و داده افزایش را الکترود کارایی به است مشاهده قابل خوبی به 7 شکل در پدیده این یکاهد. م الکترود برای شده اندازهگیری پالریزاسیون مقاومت که طوری به 900 از پخت دمای افزایش با 750 C دمای در LSCF که است یافته کاهش 0/550Ω.cm 2 به 0/076 از 1000 C پژوهشهای در مشابه الکترودهای ت مقاوم از کمتر مقدار این مقاومتی همکارانش و 19 لیو مثال عنوان به میباشد. مشابه روش به شده سنتز LSCF الکترود برای را 0/1 Ω.cm 2 از بیشتر الکترود مقاومت کردهاند) 23 (. گزارش 750 C دمای در GNP 900 از پخت دمای افزایش با 750 C دمای در LSCF/GDC است. یافته کاهش 0/120 Ω.cm 2 به 0/027 از 1000 C به بیشینه است شده مشخص 7 شکل در که همانگونه همچنین LSCF الکترود دو هر برای نایکوئیست نمودارهای برای فرکانس که است یافته افزایش پخت دمای افزایش با LSCF/GDC و است. پخت دمای افزایش با الکترود کارایی بهبود بر مؤیدی کامپوزیتی الکترود که است مشخص 7 شکل در همچنین یونی هدایت بودن باالتر و GDC حضور دلیل به LSCF/GDC دارد LSCF به نسبت کمتری الکتریکی هدایت اگرچه آن خود از LSCF الکترود به نسبت کمتری پالریزاسیون مقاومت اکسیژن یون هدایت اهمیت بیانگر نتیجه این است. داده نشان الکترود/الکترولیت مشترک فصل به آن رسیدن و الکترود در الکترود در که فرآیندهایی میان در دیگر بیان به است. مقاومت در مؤثری بسیار نقش یونی هدایت یگیرد م صورت این داراست. را اکسیژن کاهش واکنش برابر در الکترودی )10(. است رسیده تأیید به نیز دیگری پژوهش توسط پدیده دماهای در شده اندازهگیری امپدانس نمودار 9 شکل 1000 C دمای در شده پخته LSCF الکترود برای را گوناگون متوسط فرکانس و پایین فرکانس بخش دو میدهد. نشان نمودارهای تغییر است. رؤیت قابل خوبی به نمودار این در فرکانس بخش که یدهد م نشان متفاوت دماهای در امپدانس شد ذکر که همانگونه است. ثابت تقریبا LSCF نمودار پایین مربوط LSCF ماده برای امپدانس نمودار پایین فرکانس بخش پدیده یک پدیده این که است گاز نفوذ و گاز جرم انتقال به که تغییر عدم این لذا است) 24,20 ( دما از مستقل تقریبا دیده امپدانس نمودار پایین فرکانس بخش در 9 شکل در داد. نسبت گاز نفوذ به سلول مقاومت به توان می را میشود انتقال واکنشهای به مربوط که متوسط فرکانس بخش اما افزایش با بود دما به وابسته پدیده و میباشد الکترون و یون این مییابد. کاهش توجهی قابل طور به اندازهگیری دمای سلول برای 8 شکل در شده داده نشان انتخابی مدل تغییرات یکند. م تأیید را گیری نتیجه 4. پیل در استفاده جهت LSCF/GDC و LSCF کاتد الکترودهای شدند. هیابی مشخص و سنتز موفقیت با جامد اکسید سوختی از 750 C کاری دمای در را مناسبی کارایی الکترودها این به LSCF/GDC الکترود در GDC ماده حضور دادند. نشان خود کمتری الکتریکی هدایت اگرچه یون هادی ماده یک عنوان چشمگیری طور به اما داشت LSCF الکترود به نسبت خود از ریزساختار و عملکرد اساس بر داد. افزایش را ماده این کارایی به 1000 C پخت دمای بهترین شده ساخته الکترودهای الکترود بین مناسبی بسیار اتصال پخت دمای این آمد. دست پخت دمای افزایش شد. باعث را GDC میانی محافظ الیه و ماده هدایت افت که گردید کاتد الکترود در ترک ایجاد موجب داشت. همراه به را 19. Liu 174

پاییز. 1395 دوره. 19 شماره 3 علیرضا بابائی و همکاران: 168-175 References [1] Jeffrey Fergus, Rob Hui, Xianguo Li, David P. Wilkinson JZ. Solid Oxide Fuel Cells: Materials Properties and Performance. Taylor & Francis Group; 2008. [2] Gorte R, Vohs J, Skafte TL, Kee R, Varcoe J, Metcalfe I, et al. Materials development: general discussion. Faraday Discuss [Internet]. 2015;307 28. Available from: http://xlink.rsc. org/?doi=c5fd90074c [3] Wachsman E, Ishihara T, Kilner J. Low-temperature solid-oxide fuel cells. MRS Bull [Internet]. Cambridge University Press; 2014 Sep 10 [cited 2015 Jun 22];39(9):773 9. Available from: http://journals.cambridge.org/abstract_s0883769414001924 [4] Andújar JM, Segura F. Fuel cells: History and updating. A walk along two centuries. Renew Sustain Energy Rev [Internet]. 2009 Dec [cited 2013 Aug 14];13(9):2309 22. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2009.03.015 [5] Gao Z, Mogni L V., Miller EC, Railsback JG, Barnett SA. A perspective on low-temperature solid oxide fuel cells. Energy Environ Sci [Internet]. The Royal Society of Chemistry; 2016 [cited 2016 Jul 28];9(5):1602 44. Available from: http://xlink. rsc.org/?doi=c5ee03858h [6] Richter J, Holtappels P, Graule T, Nakamura T, Gauckler LJ. Materials design for perovskite SOFC cathodes. Monatshefte für Chemie - Chem Mon [Internet]. Springer Vienna; 2009 Sep 16 [cited 2016 Jul 28];140(9):985 99. Available from: http:// link.springer.com/10.1007/s00706-009-0153-3 [7] Yurkiv V, Costa R, Ilhan Z, Ansar A, Bessler WG. Impedance of the surface double layer of LSCF/CGO composite cathodes: An elementary kinetic model. J Electrochem Soc. 2014;161(4):F480 92. [8] Jiang S. A comparison of O2 reduction reactions on porous (La,Sr)MnO3 and (La,Sr)(Co,Fe)O3 electrodes. Solid State Ionics [Internet]. 2002 Jan [cited 2013 Jun 18];146(1 2):1 22. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/s0167-2738(01)00997-3 [9] Chroneos A, Yildiz B, Tarancón A, Parfitt D, Kilner J a. Oxygen diffusion in solid oxide fuel cell cathode and electrolyte materials: mechanistic insights from atomistic simulations. Energy Environ Sci [Internet]. 2011;4(8):2774. Available from: http://oro.open.ac.uk/35228/%5cnhttp://xlink.rsc. org/?doi=c0ee00717j [10] Wang W, Mogensen M. High-performance lanthanumferrite-based cathode for SOFC. Solid State Ionics [Internet]. 2005 Feb 14 [cited 2015 Mar 11];176(5 6):457 62. Available from: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S016727380400534X [11] Kiebach R, Zhang W-W, Zhang W, Chen M, Norrman K, Wang H-J, et al. Stability of La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3/Ce0.9Gd0.1O2 cathodes during sintering and solid oxide fuel cell operation. J Power Sources. 2015;283:151 61. [12] Liu Y, Wang F, Chi B, Pu J, Jian L, Jiang SP. A stability study of impregnated LSCF GDC composite cathodes of solid oxide fuel cells. J Alloys Compd [Internet]. 2013 [cited 2013 Dec 4];578:37 43. Available from: http://www.sciencedirect.com/ science/article/pii/s092583881301181x [14] Esquirol A, Brandon NP, Kilner JA, Mogensen M. Electrochemical Characterization of La[sub 0.6]Sr[sub 0.4]Co[sub 0.2] Fe[sub 0.8]O[sub 3] Cathodes for Intermediate-Temperature SOFCs. J Electrochem Soc [Internet]. The Electrochemical Society; 2004 Nov 1 [cited 2015 Oct 28];151(11):A1847. Available from: http://jes.ecsdl.org/content/151/11/a1847.full [15] da Conceição L, Silva AM, Ribeiro NFP, Souza MMVM. Combustion synthesis of La0.7Sr0.3Co0.5Fe0.5O3 (LSCF) porous materials for application as cathode in IT-SOFC. Mater Res Bull. 2011;46(2):308 14. [16] Nielsen J, Hjalmarsson P, Hansen MH, Blennow P. Effect of low temperature in-situ sintering on the impedance and the performance of intermediate temperature solid oxide fuel cell cathodes. J Power Sources [Internet]. Elsevier B.V; 2014;245:418 28. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j. jpowsour.2013.06.067 [17] Tai L, Nasrallah MM, Anderson HU, Sparlin DM, Sehlin SR. Structure and electrical properties of La1 xsrxco1 yfeyo3. Part 2. The system La1 xsrxco0.2fe0.8o3. Solid State Ionics [Internet]. Elsevier; 1995 Mar [cited 2016 Jun 12];76(3 4):273 83. Available from: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/ pii/016727389400245n [18] Sakito Y, Hirano A, Imanishi N, Takeda Y, Yamamoto O, Liu Y. Silver infiltrated La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3 cathodes for intermediate temperature solid oxide fuel cells. J Power Sources [Internet]. 2008 Aug [cited 2013 Jun 11];182(2):476 81. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2008.04.052 [19] Scott S. Reactivity of LSCF perovskites. Solid State Ionics [Internet]. 2002 Dec [cited 2013 Jun 12];152 153(null):777 81. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/s0167-2738(02)00327-2 [20] Adler SB. Factors Governing Oxygen Reduction in Solid Oxide Fuel Cell Cathodes. Chem Rev [Internet]. American Chemical Society; 2004 Oct [cited 2016 May 14];104(10):4791 844. Available from: http://dx.doi.org/10.1021/cr020724o [21] Nielsen J, Jacobsen T, Wandel M. Impedance of porous IT- SOFC LSCF:CGO composite cathodes. Electrochim Acta [Internet]. 2011 Sep [cited 2015 Oct 13];56(23):7963 74. Available from: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S0013468611007638 [22] Macdonald JR, Barsoukov E. Impedance Spectroscopy: Theory, Experiment, and Applications. [1] J. R. M. Evgenij Barsoukov, Impedance Spectroscopy: Theory, Experiment, and Applications.. 2005. [23] Liu M, Ding D, Blinn K, Li X, Nie L, Liu M. Enhanced performance of LSCF cathode through surface modification. Int J Hydrogen Energy [Internet]. 2012 May [cited 2013 Jun 12];37(10):8613 20. Available from: http://dx.doi. org/10.1016/j.ijhydene.2012.02.139 [24] Nielsen J, Hjelm J. Impedance of SOFC electrodes: A review and a comprehensive case study on the impedance of LSM:YSZ cathodes. Electrochim Acta [Internet]. Elsevier Ltd; 2014;115:31 45. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j. electacta.2013.10.053 [13] Wang S. Performance of a La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3 Ce0.8Gd0.2O1.9 Ag cathode for ceria electrolyte SOFCs. Solid State Ionics [Internet]. 2002 Feb [cited 2013 Jun 18];146(3 4):203 10. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/s0167-2738(01)01015-3 175