Katı Oksit Yakıt Pillerinde Lsgm-bscf Ve Lsgm-scf Arayüzey Termokimyası

Abstract

Bu çalışmada, La0.8Sr0.2Ga0.83Mg0.17O2.815 (LSGM) elektrolit tabanlı katı oksit yakıt pillerinde (KOYP) Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF) ve SrCo0.8Fe0.2O3-δ (SCF) katot malzemelerinin kullanılabilirliği araştırılmıştır. Anot olarak, nikel oksit-samaryum katkılı seryum (NiO-SDC) karışımı, koruyucu tabaka olarak, lantanum katkılı seryum (LDC) kullanılmıştır. Tasarlanan KOYP sistemi, NiO-SDC/LDC/LSGM/BSCF ve NiO-SDC/LDC/LSGM/SCF’ dir. KOYP sistemi üretilmiş, sıcaklık ve zamana bağlı olarak, elektrolit ve katot arasındaki kimyasal uyumluluk, XRD, DTA/TGA, SEM/EDS metotları kullanılarak araştırılmıştır. Bu çalışma sonucunda, BSCF/SCF ve LSGM malzemelerinin 400 ºC üzerinde bir arada kullanılamayacağı anlaşılmıştır. Literatürde, LSGM:BSCF ikilisinin 1000 °C’ ye kadar bir arada kullanılabileceği belirtilmiş iken, bu çalışmada yapılan XRD analizleri 700 °C’ de bu malzemelerin birbiri ile reaksiyona girdiğini tespit etmiştir. Dahası, DTA analizi reaksiyonun aslında 400 °C üzerinde başladığını göstermiştir. Bu iki malzeme arasında gerçekleşen katı hal difüzyonu çok yavaş olduğu için kısa süreli ısıl işlemler ile reaksiyon varlığı tespit edilememiştir. Bu çalışmada yapılan uzun süreli deneyler sonucunda anlaşılmıştır ki, LSGM:BSCF/SCF elektrolit:katot malzemeleri KOYP sistemlerinde 400 ºC üzerinde kullanılamaz. Elektrolit:katot ikilisi arasında gerçekleşen reaksiyon bir katı eriyik oluşturmaktadır. Katı eriyik fazının, elementel analiz sonuçları değerlendirilerek ve Mg varlığı göz ardı edilerek, BSCF:LSGM ikilisi için; (La0.1Sr0.5Ba0.4)(Ga0.2Co0.6Fe0.2)O3-δ, SCF:LSGM ikilisi için; (La0.2Sr0.8)(Ga0.2Co0.6Fe0.2)O3-δ veya (La0.3Sr0.7)(Ga0.3Co0.5Fe0.2)O3-δ olduğu düşünülmektedir.

In this study, the availability of Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF) and SrCo0.8Fe0.2O3-δ (SCF) cathode materials were investigated in La0.8Sr0.2Ga0.83Mg0.17O2.815 (LSGM) electrolyte based solid oxide fuel cells (SOFCs). Mixture of nickel oxide and samarium doped ceria (NiO-SDC) was used as an anode material and lanthanum doped ceria (LDC) was used as a protective layer. The SOFCs were designed as NiO-SDC/LDC/LSGM/BSCF and NiO-SDC/LDC/LSGM/SCF. The chemical compatibility between the electrolyte and cathode materials was characterized by the TG/DTA, XRD, SEM and EDS techniques depending on time and temperature. Formation of solid solution began around 400 °C. XRD results for BSCF-LSGM and SCF-LSGM mixtures showed undesired phase evolution around 700 °C. Furthermore, DTA analysis showed that the reaction actually started above 400 °C. The broad dip (400 °C - 1200 °C) in the DTA curve possibly indicates a diffusional process between cathode and electrolyte materials. It is plausible that a prolonged exposure to these temperatures may lead to a “rich” solid solution. As a result of the long term heat treatment was observed that LSGM electrolyte and BSCF/SCF cathode materials are chemically uncompatible above 400 °C. The resulting solid solutions are approximately with the compositions of (La0.1Sr0.5Ba0.4)(Ga0.2Co0.6Fe0.2)O3-δ and (La0.2Sr0.8)(Ga0.2Co0.6Fe0.2)O3-δ for BSCF-LSGM and SCF-LSGM powder mixtures, respectively. This new result could open a whole new series of mixed oxides that are suitable for SOFC applications.