การขึ้นรูปเซลล์เชื้อเพลิงเซรามิกชนิดนำโปรตอนโดยการพ่นฝอยด้วยไฟฟ้าสถิต

Abstract

งานวิจัยนี้ได้ทำการขึ้นรูปเซลล์เชื้อเพลิงเซรามิกชนิดนำโปรตอนแบบเซลล์เดี่ยว โดยเริ่มต้นจากการหาตัวแปรที่เหมาะสมในการขึ้น รูปฟิล์มบางอิตเทรียมโดปแบเรียมเซอร์โคเนต (BYZ) สำหรับใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ด้วยเทคนิคการพ่นฝอยด้วยไฟฟ้าสถิต โดยทำการฉีดพ่น สารละลายลงบนซิลิคอนซับสเตรต พบว่าตัวแปรที่ทำให้ฟิล์มมีความหนาแน่นสูงและไม่มีรูพรุน ได้แก่ (i) สารละลายตัง้ต้น BaCl₂·2H₂O, YCl₃·6H₂O และ Zr(C₅H₇O₂)₄ ในตัวทำละลาย ผสมระหว่าง DI water กับ butyl carbitol อัตราส่วนโดยปริมาตรเท่ากับ 50 ต่อ 50 (ii) อุณหภูมิซับสเตรตเท่ากับ 250 ℃ (iii) อัตราการไหลของสารละลายตั้งต้นอยู่ในช่วง 1.4-2.8 มล./ชม. (iv) ความต่างศักย์ระหว่างหัวฉีดและฐานรองอยู่ในช่วง 10-12 kV และ (iv) ระยะห่างระหว่างปลายเข็มกับซับสเตรตเท่ากับ 8 ซม. และผ่านการเผาฟิล์มที่ 1350 ℃ เป็นเวลา 10 ชม. จากนั้น ได้ทำการขึ้น รูปเซลล์เชื้อ เพลิงเซรามิกชนิดนำโปรตอนแบบเซลล์เดี่ยว โดยฉีดพ่น สารละลายข้างต้นลงบนแอโนดที่ขึ้นรูปจาก NiO-BYZ ซึ่งไม่นำไฟฟ้ าและมีรูพรุนสูง พบว่า ฟิล์ม BYZ มีรูพรุนเช่นเดียวกับแอโนด จึงแก้ปัญหาดังกล่าวด้วยวิธีต่างๆ อาทิเช่น การเคลือบ ผิวแอโนดด้วยทองเพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้า การแทนที่รูพรุนด้วยพอลิไวนิลไพโรลิโดน การเผา ผนึกร่วม และการเพมิ่ชั้น แอโนดรูพรุนตํ่าลงบนผิวของแอโนด เป็นต้น จากการทดลองพบว่าวิธีการขึ้น รูปเซลล์เชื้อ เพลิงแบบเซลล์เดี่ยวที่มีการรั่วซึมของ เชื้อเพลิงและออกซิแดนซ์น้อยที่สุดคือ การฉีดพ่นสารละลายลงบนแอโนด NiO-BYZ ที่มีชั้นรูพรุนตํ่าควบคู่กับการเผาผนึกร่วมระหว่างแอโนดและอิเล็กโทรไลต์ที่อุณหภูมิ 1550 ℃ เป็น เวลา 10 ชม. จากนั้น ทำการขึ้น รูปแคโทดโดยการใช้แพลตินัมเพสต์ แต่อย่างไรก็ตาม จากผลการทดสอบประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของเซลล์เชื้อ เพลิงแสดงให้เห็นว่าการเพิ่มชั้น แอโนดรู พรุนตํ่าทำให้เซลล์มีความต้านทานไฟฟ้าสูงและเป็นส่วนสำคัญทำให้กำลังไฟฟ้าสูงสุดของเซลล์อยู่ที่ 3-24 mW/cm² ในช่วงอุณหภูมิ 600-900 ℃ และ 0.05-0.5 mW/cm² ในช่วง อุณหภูมิ 400-500 ℃ เท่านั้น