Вплив поруватості на міцність 3,5YSZ-керамічного остову анода паливної комірки
Досліджено вплив поруватості на міцність остову з порошку 3,5YSZ (ZrO₂, стабілізований 3,5% (мол.) Y₂O₃). Зміну поруватості остову забезпечували додаванням гранульованого крохмалю від 10 до 69% (об.) до порошку 3,5YSZ. Оптимальні поруватість (38%) та міцність (92 МПа) мають остови з вмістом крохмалю...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Электронная микроскопия и прочность материалов |
|---|---|
| Datum: | 2017 |
| Hauptverfasser: | , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
2017
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/133015 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Вплив поруватості на міцність 3,5YSZ-керамічного остову анода паливної комірки / І.О. Полішко, Є.М. Бродніковський, Д.М. Бродніковський, В.Я. Подгурська, Б.Д. Василів, О.Д. Васильєв // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. научн. тр. — К.: ІПМ НАН України, 2017. — Вип. 23. — С. 116-123. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-133015 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Полішко, І.О. Бродніковський, Є.М. Бродніковський, Д.М. Подгурська, В.Я. Василів, Б.Д. Васильєв, О.Д. 2018-05-17T17:52:39Z 2018-05-17T17:52:39Z 2017 Вплив поруватості на міцність 3,5YSZ-керамічного остову анода паливної комірки / І.О. Полішко, Є.М. Бродніковський, Д.М. Бродніковський, В.Я. Подгурська, Б.Д. Василів, О.Д. Васильєв // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. научн. тр. — К.: ІПМ НАН України, 2017. — Вип. 23. — С. 116-123. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. XXXX-0048 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/133015 620.187:620.1 Досліджено вплив поруватості на міцність остову з порошку 3,5YSZ (ZrO₂, стабілізований 3,5% (мол.) Y₂O₃). Зміну поруватості остову забезпечували додаванням гранульованого крохмалю від 10 до 69% (об.) до порошку 3,5YSZ. Оптимальні поруватість (38%) та міцність (92 МПа) мають остови з вмістом крохмалю 51% (об.). Встановлено, що заміна 8YSZ на 3,5YSZ є прийнятною для виготовлення керамічної складової анода паливної комірки остовим методом. За однакової поруватості (38%) остови 3,5YSZ та 8YSZ мають міцність 92 та 38 МПа відповідно. Исследовано влияние пористости на прочность каркаса 3,5YSZ (ZrO₂, стабили-зированный 3,5% (мол.) Y₂O₃). Изменение пористости каркаса обеспечивали добавлением гранулированного крахмала от 10 до 69% (об.) в порошок 3,5YSZ. Оптимальные значения пористости (38%) и прочности (92 МПа) получены в каркасах с содержанием 51% (об.) крахмала. Установлено, что замена 8YSZ на 3,5YSZ является приемлемым для изготовления керамической составляющей анода топливного элемента каркасным методом. При одинаковой пористости (38%) каркасы 3,5YSZ и 8YSZ демонстрируют прочность 92 и 38 МПа соответственно. The influence of porosity on mechanical strength 3,5YSZ (ZrO₂, stabilized with 3,5% (mol.) Y₂O₃) carcass was studied. The changes of carcasses porosity were provided by addition of granulated starch in range of 10—69% (vol.) in 3,5YSZ powder. Optimal level of porosity (38%) and mechanical strength (92 MPa) were obtained in carcasses with 51% (vol.) of starch. It was found, that replacement 8YSZ with 3,5YSZ is acceptable for manufacturing of ceramic component of anode solid oxide fuel cell via carcass method. Thus, with the same level of porosity (38%) 3,5YSZ and 8YSZ car-casses demonstrated mechanical strength of 92 and 38 MPa, respectively. uk Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України Электронная микроскопия и прочность материалов Вплив поруватості на міцність 3,5YSZ-керамічного остову анода паливної комірки Влияние пористости на прочность 3,5YSZ-керамического каркаса анода топливного элемента The influence of porosity on mechanical strength of 3,5YSZ ceramic carcass for anode solid oxide fuel cell application Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Вплив поруватості на міцність 3,5YSZ-керамічного остову анода паливної комірки |
| spellingShingle |
Вплив поруватості на міцність 3,5YSZ-керамічного остову анода паливної комірки Полішко, І.О. Бродніковський, Є.М. Бродніковський, Д.М. Подгурська, В.Я. Василів, Б.Д. Васильєв, О.Д. |
| title_short |
Вплив поруватості на міцність 3,5YSZ-керамічного остову анода паливної комірки |
| title_full |
Вплив поруватості на міцність 3,5YSZ-керамічного остову анода паливної комірки |
| title_fullStr |
Вплив поруватості на міцність 3,5YSZ-керамічного остову анода паливної комірки |
| title_full_unstemmed |
Вплив поруватості на міцність 3,5YSZ-керамічного остову анода паливної комірки |
| title_sort |
вплив поруватості на міцність 3,5ysz-керамічного остову анода паливної комірки |
| author |
Полішко, І.О. Бродніковський, Є.М. Бродніковський, Д.М. Подгурська, В.Я. Василів, Б.Д. Васильєв, О.Д. |
| author_facet |
Полішко, І.О. Бродніковський, Є.М. Бродніковський, Д.М. Подгурська, В.Я. Василів, Б.Д. Васильєв, О.Д. |
| publishDate |
2017 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Электронная микроскопия и прочность материалов |
| publisher |
Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Влияние пористости на прочность 3,5YSZ-керамического каркаса анода топливного элемента The influence of porosity on mechanical strength of 3,5YSZ ceramic carcass for anode solid oxide fuel cell application |
| description |
Досліджено вплив поруватості на міцність остову з порошку 3,5YSZ (ZrO₂, стабілізований 3,5% (мол.) Y₂O₃). Зміну поруватості остову забезпечували додаванням гранульованого крохмалю від 10 до 69% (об.) до порошку 3,5YSZ. Оптимальні поруватість (38%) та міцність (92 МПа) мають остови з вмістом крохмалю 51% (об.). Встановлено, що заміна 8YSZ на 3,5YSZ є прийнятною для виготовлення керамічної складової анода паливної комірки остовим методом. За однакової поруватості (38%) остови 3,5YSZ та 8YSZ мають міцність 92 та 38 МПа відповідно.
Исследовано влияние пористости на прочность каркаса 3,5YSZ (ZrO₂, стабили-зированный 3,5% (мол.) Y₂O₃). Изменение пористости каркаса обеспечивали добавлением гранулированного крахмала от 10 до 69% (об.) в порошок 3,5YSZ. Оптимальные значения пористости (38%) и прочности (92 МПа) получены в каркасах с содержанием 51% (об.) крахмала. Установлено, что замена 8YSZ на 3,5YSZ является приемлемым для изготовления керамической составляющей анода топливного элемента каркасным методом. При одинаковой пористости (38%) каркасы 3,5YSZ и 8YSZ демонстрируют прочность 92 и 38 МПа соответственно.
The influence of porosity on mechanical strength 3,5YSZ (ZrO₂, stabilized with 3,5% (mol.) Y₂O₃) carcass was studied. The changes of carcasses porosity were provided by addition of granulated starch in range of 10—69% (vol.) in 3,5YSZ powder. Optimal level of porosity (38%) and mechanical strength (92 MPa) were obtained in carcasses with 51% (vol.) of starch. It was found, that replacement 8YSZ with 3,5YSZ is acceptable for manufacturing of ceramic component of anode solid oxide fuel cell via carcass method. Thus, with the same level of porosity (38%) 3,5YSZ and 8YSZ car-casses demonstrated mechanical strength of 92 and 38 MPa, respectively.
|
| issn |
XXXX-0048 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/133015 |
| citation_txt |
Вплив поруватості на міцність 3,5YSZ-керамічного остову анода паливної комірки / І.О. Полішко, Є.М. Бродніковський, Д.М. Бродніковський, В.Я. Подгурська, Б.Д. Василів, О.Д. Васильєв // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. научн. тр. — К.: ІПМ НАН України, 2017. — Вип. 23. — С. 116-123. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT políškoío vplivporuvatostínamícnístʹ35yszkeramíčnogoostovuanodapalivnoíkomírki AT brodníkovsʹkiiêm vplivporuvatostínamícnístʹ35yszkeramíčnogoostovuanodapalivnoíkomírki AT brodníkovsʹkiidm vplivporuvatostínamícnístʹ35yszkeramíčnogoostovuanodapalivnoíkomírki AT podgursʹkavâ vplivporuvatostínamícnístʹ35yszkeramíčnogoostovuanodapalivnoíkomírki AT vasilívbd vplivporuvatostínamícnístʹ35yszkeramíčnogoostovuanodapalivnoíkomírki AT vasilʹêvod vplivporuvatostínamícnístʹ35yszkeramíčnogoostovuanodapalivnoíkomírki AT políškoío vliânieporistostinapročnostʹ35yszkeramičeskogokarkasaanodatoplivnogoélementa AT brodníkovsʹkiiêm vliânieporistostinapročnostʹ35yszkeramičeskogokarkasaanodatoplivnogoélementa AT brodníkovsʹkiidm vliânieporistostinapročnostʹ35yszkeramičeskogokarkasaanodatoplivnogoélementa AT podgursʹkavâ vliânieporistostinapročnostʹ35yszkeramičeskogokarkasaanodatoplivnogoélementa AT vasilívbd vliânieporistostinapročnostʹ35yszkeramičeskogokarkasaanodatoplivnogoélementa AT vasilʹêvod vliânieporistostinapročnostʹ35yszkeramičeskogokarkasaanodatoplivnogoélementa AT políškoío theinfluenceofporosityonmechanicalstrengthof35yszceramiccarcassforanodesolidoxidefuelcellapplication AT brodníkovsʹkiiêm theinfluenceofporosityonmechanicalstrengthof35yszceramiccarcassforanodesolidoxidefuelcellapplication AT brodníkovsʹkiidm theinfluenceofporosityonmechanicalstrengthof35yszceramiccarcassforanodesolidoxidefuelcellapplication AT podgursʹkavâ theinfluenceofporosityonmechanicalstrengthof35yszceramiccarcassforanodesolidoxidefuelcellapplication AT vasilívbd theinfluenceofporosityonmechanicalstrengthof35yszceramiccarcassforanodesolidoxidefuelcellapplication AT vasilʹêvod theinfluenceofporosityonmechanicalstrengthof35yszceramiccarcassforanodesolidoxidefuelcellapplication |
| first_indexed |
2025-11-27T03:12:34Z |
| last_indexed |
2025-11-27T03:12:34Z |
| _version_ |
1850796391454998528 |
| fulltext |
116
УДК 620.187:620.1
Вплив поруватості на міцність 3,5YSZ-керамічного
остову анода паливної комірки
І. О. Полішко, Є. М. Бродніковський, Д. М. Бродніковський,
В. Я. Подгурська*, Б. Д. Василів*, О. Д. Васильєв
Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України,
Київ, e-mail: polishko.ihor@gmail.com
*Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львiв
Досліджено вплив поруватості на міцність остову з порошку 3,5YSZ (ZrO2,
стабілізований 3,5% (мол.) Y2O3). Зміну поруватості остову забезпечували
додаванням гранульованого крохмалю від 10 до 69% (об.) до порошку 3,5YSZ.
Оптимальні поруватість (38%) та міцність (92 МПа) мають остови з вмістом
крохмалю 51% (об.). Встановлено, що заміна 8YSZ на 3,5YSZ є прийнятною для
виготовлення керамічної складової анода паливної комірки остовим методом.
За однакової поруватості (38%) остови 3,5YSZ та 8YSZ мають міцність 92 та
38 МПа відповідно.
Ключові слова: кераміка, діоксид цирконію, керамічний остов, поруватість,
міцність, анод, керамічна паливна комірка.
Вступ
Керамічні паливні комірки (КПК) є перспективними пристроями для
альтернативного одержання електричної енергії завдяки їхній ефектив-
ності, надійності, невибагливості до палива та високій екологічності [1, 2].
Традиційна КПК складається з щільного електроліту, який виготовляють з
ZrO2, стабілізованого Y2O3 (YSZ), і розміщують між поруватими
електродами — LaSrMnO3 (LSM)—YSZ (катод) та Ni—YSZ (анод).
Конфігурація комірки, у якій анод є її носієм, зараз є найпоширенішею
завдяки її високої продуктивності, особливо при середніх робочих
температурах (600—800 °С). За даної конструкції функцією анода є не
лише підведення палива до місця реакції і відведення продуктів реакції
назовні, що потребує високої поруватості цього електрода, але й
забезпечення високої механічної міцності усієї конструкції.
Незважаючи на очевидні переваги над традиційними енергогенерую-
чими пристроями, КПК все ж потребують покращення функціональних та
експлуатаційних характеристик [3—6]. Оптимізація можлива через пошук
як нових матеріалів, так і нових методів виготовлення.
В даний час традиційний анод КПК виготовляють із суміші порошків
NiO—8YSZ (ZrO2, стабілізований 8% (мол.) Y2O3). У цьому аноді нікель,
який утворюється в результаті відновлення NiO вже при першому ж запуску
КПК, забезпечує каталітичну активність та електронну провідність, а кераміч-
на складова 8YSZ — механічну міцність, іонну провідність та запобігає
укрупненню частинок нікелю внаслідок його низької температури спікання.
Таким чином, важливим під час формування структури анода є отримання
суцільності та зв’язаності усіх фаз (нікелевої, цирконієвої та поруватості),
© І. О. Полішко, Є. М. Бродніковський, Д. М. Бродніковський,
В. Я. Подгурська, Б. Д. Василів, О. Д. Васильєв, 2017
mailto:polishko.ihor@gmail.com
117
оскільки при втраті їх зв’язаності знижується ефективність роботи усієї
комірки. Зауважимо, що при виготовленні анодів з суміші порошків важко
досягти рівномірного розподілу складових у об’ємі матеріалу.
Альтернативним методом формування структури анодів є остовий
[7—9], за яким спочатку виготовляється високопоруватий цирконієво-
керамічний остов, що у подальшому просочується сіллю нікелю. Оскільки
навіть безпорувата кераміка 8YSZ має невисоку міцність [10], при
формуванні остову 8YSZ з високим рівнем поруватості його міцність
суттєво знижується. Забезпечити необхідний рівень міцності остовів із
одночасним підвищенням їх поруватості можливо, використовуючи
частково стабілізований діоксид цирконію 3,5YSZ (ZrO2, стабілізований
3,5% (мол.) Y2O3) [11].
Відомо [5], що найбільша електрохімічна активність має місце у досить
тонкому шарі поблизу межі поділу анод—електроліт (~40—50 мкм).
Більшість анодів є однорідними по своїй структурі, тому переважна
частина анода не бере участі у електрохімічній реакції окиснення палива.
Вирішити цю проблему можливо, виготовляючи так звані двошарові
аноди. Дані аноди складаються з анодного функціонального шару (АФШ),
у якому, власне, і відбувається електрохімічна реакція окиснення палива,
та анода-підкладки, яка відіграє роль носія усієї конструкції паливної
комірки, забезпечує швидке надходження палива та відводить електрони у
зовнішнє електричне коло.
У даній роботі виготовлено керамічний високопоруватий остов з
порошку 3,5YSZ та досліджено вплив поруватості на його міцність і
структуру. Поруватість забезпечувалася введенням різного вмісту
пороутворювача у порошок в процесі виготовлення остовів. Даний
керамічний остов, фактично, є складовою анода-підкладки. За резуль-
татами роботи буде обрано остов з оптимальними властивостями для
подальшого просочування його нікелем. Використання порошку
3,5YSZ має зберегти необхідний рівень міцності підкладки з
підвищеною поруватістю, яка, у свою чергу, має полегшити
підведення палива до анода і, відповідно, покращити продуктивність
роботи усієї КПК. Мета роботи — встановити залежність міцності
цирконієвих остовів від їхньої поруватості.
Матеріали та методика випробувань
Анодний композит виготовляли з порошку 3,5YSZ виробництва ТОВ
Цирконія України (Україна) (рис. 1, а), в який для утворення потрібної
поруватості остовів додавали сферичний крохмаль Tapioca виробництва
Thai World Import & Export Co., Ltd., Thailand (рис. 1, б). Сферична форма
пороутворювача обрана для мінімізації негативного впливу його форми на
мікроструктуру остову, а саме утворення гострих кутів, та рівномірнішого
розподілу пор.
Для встановлення залежності міцності керамічних остовів від їх порува-
тості у порошок 3,5YSZ додавали: 3, 5, 7, 10, 15, 20, 25, 30 та 35% (мас.)
крохмалю, що в перерахунку на об’ємні відсотки становило: 10, 16, 22, 29, 42,
51, 58, 64 та 69 відповідно. Перед виготовленням зразків порошки
подрібнювали і змішували в барабанному млині з етанолом розмель-
ними цирконієво-керамічними тілами упродовж 24 год. Після змішування
118
Рис. 1. Електронно-мікроскопічне зображення вихідних матеріалів: а —
двооксид цирконію 3,5YSZ; б — крохмаль Tapioca; а, б — просвічуюча та
скануюча електронна мікроскопія відповідно.
порошки висушували для видалення вологи та просіювали через сито
0,1 мм з метою недопущення крупних агломератів.
По 6 дискових зразків з кожної партії порошкової суміші (всього 54
зразки) діаметром 20 мм і товщиною 1,76—2,72 мм було виготовлено на
гідравлічному пресі однобічним холодним пресуванням в сталевій прес-
формі при тискові пресування 64 МПа. Спресовані зразки спікали у печі
Linn High Term марки VMK1600 при температурі 1400 °С зі швидкістю
нагрівання 200 °С/год. Поруватість та міцність спечених зразків вимірю-
вали за схемами, описаними у нашій попередній роботі [12].
Результати досліджень та їх обговорення
На рис. 2 наведено дані щодо залежності поруватості остовів з 3,5YSZ
від вихідного вмісту пороутворювача (крохмалю). Внаслідок вигоряння у
процесі спікання доданого до вихідного порошку 3,5YSZ крохмалю
зростає поруватість кераміки. Так, при збільшенні вихідного вмісту крох-
малю в межах від 10 до 69% (об.) поруватість спечених остовів змінюва-
лася від 19 до 62% відповідно. Варто відмітити, що при вмісті крохмалю
10—51% (об.) поруватість остовів підвищується практично лінійно з
Рис. 2. Залежність поруватості остовів з 3,5YSZ, спечених при
1400 °С, від вмісту пороутворювача.
% (об.)
119
19 до 38%. Проте подальше збільшення вмісту пороутворювача з 51 до
58% (об.) призводить до стрибкоподібного зростання поруватості з 38
до 54%. Ймовірно, це можна пояснити досягненням певного критичного
вмісту пороутворювача.
Слід зауважити, що не лише висока поруватість є необхідною умовою
високоякісного анодного композита. Головним є створення поруватої
структури з невизначеним поки що співвідношенням розміру пор та
їхнього розподілу за розмірами з усією кількістю пор. Наявність високої
поруватості може зменшувати механічну міцність, а також електронну та
іонну провідності через зниження площі контакту між частинками. Великі
пори зменшують загальну довжину доступних для реакції меж трьох
фаз — місць, де сходяться кисеньйонний провідник, електронний
провідник та пора і де, власне, відбувається електрохімічна реакція
окиснення складових палива. Дрібні ж пори погіршують підведення
палива та відведення продуктів реакції, тим самим знижуючи швидкість
проходження реакції. Отже, досягнення балансу між кількістю, розміром
та розподілом пор у аноді є важливою вимогою для забезпечення високої
продуктивності КПК.
Як вже зазначалося, крім достатнього рівня поруватості, анод-
підкладка, який виконує функцію носія всієї комірки, має мати
достатній рівень міцності (~100 МПа [13]). Зростання поруватості
цирконієво-керамічних остовів добре корелює зі зменшенням їхньої
міцності (рис. 3). Зміна поруватості від 19 до 62% призводить до
зниження міцності від 316,3 до 11 МПа. Як і у випадку поруватості, при
збільшенні вмісту крохмалю з 51 до 58% (об.) міцність остовів стрімко
падає з 92 до 21 МПа. Оптимальні значення поруватості (38%) та
міцності (92 МПа) забезпечує склад з вмістом крохмалю 51% (об.).
Міцність цирконієво-керамічних остовів може бути підвищена після
просочення їх нікелем [7]. Злами цирконієво-керамічних остовів
зображені на рис. 4.
Рис. 3. Залежність міцності остовів з 3,5YSZ, спечених при 1400 °С, від
їх поруватості.
120
а
б
в
г
д
е
є
ж
з
Рис. 4. СЕМ зображення зламів
остовів з 3,5YSZ, спечених при
1400 °С, з вмістом пороутворюва-
ча 10 (а), 16 (б), 22 (в), 29 (г), 42 (д),
51 (е), 58 (є), 64 (ж), 68% (об.) (з).
121
При вмісті пороутворювача 10 та 16% (об.) (рис. 4, а, б) у зламах
спостерігаються відносно пласкі ділянки, які свідчать про механізм
руйнування відколом тіл зерен. Проте подальше збільшення кількості
пороутворювача і, відповідно, поруватості призводить до зникнення
пласких ділянок. У структурі зламів з’являються доволі великі пори
розміром 6—7 мкм (рис. 4, в—д). За формою і розміром такі доволі великі
пори співпадають з частинками крохмалю, це дає змогу припустити, що ве-
ликі пори утворилися після вигоряння крохмалю. Варто зазначити, що
при вмісті пороутворювача 51% (об.) (рис. 4, е) у структурі зламу остову
також видно рівномірно розподілені дрібні (~0,2 мкм) та великі (~5 мкм)
пори. Отже, даний склад задовольняє не лише вимогам щодо значень
необхідної поруватості та міцності, але й забезпечує відносно рівномірну
структуру. Збільшення кількості пороутворювача до 58, 64 та 69% (об.)
супроводжується зростанням не лише кількості, але й розміру пор
(рис. 4, є—з). Тому стає важко виділити окремі пори. При таких
концентраціях пороутворювача не вдається досягти рівномірності
розподілу його частинок, що призводить до об’єднання їх у більші
агломерати. Вірогідно, внаслідок цього змінюється мікромеханізм руйну-
вання, власне, відбувається перехід від відкольного внутрішньо-зеренного
руйнування до міжзеренного, що й може пояснити стрибкоподібний спад
міцності для даних складів (58, 64, 69% (об.)) пороутворювача.
Як вже зазначалося, ідея заміни керамічної складової анода 8YSZ на
3,5YSZ має забезпечити необхідні значення міцності в матеріалі з
підвищеною поруватістю. На рис. 5 представлено залежності міцності
керамік 3,5YSZ та 8YSZ [7], спечених при температурі 1400 °С, від їхньої
загальної поруватості. Видно, що зі збільшенням поруватості остовів
зменшується їхня міцність у обох випадках. При виготовленні остовів з
8YSZ їхня міцність змінювалася з 65 до 38 МПа при поруватості 34—38%
відповідно. Міцність остовів з 3,5YSZ становить 114,7 і 92 МПа при
поруватості 34 і 38% відповідно. Тобто при однаковій поруватості (34—
38%) остови з 3,5YSZ мають понад удвічі вищу міцність, ніж остови з
Рис. 5. Залежності міцності керамічних остовів з порошків 3,5YSZ
(▲) та 8YSZ (■) [7], спечених при 1400 °С, від їх поруватості.
122
традиційної кераміки 8YSZ, що, таким чином, дозволяє рекомендувати
порошки 3,5YSZ для виготовлення анодів КПК з необхідною поруватістю.
Висновки
Досліджено вплив поруватості керамічних остовів з 3,5YSZ на їхню
міцність. Встановлено, що збільшення в остовах вихідного вмісту
крохмалю з 10 до 64% (об.) супроводжується зростанням поруватості від
19 до 62% відповідно. Додавання 58% (об.) крохмалю та подальше
підвищення його вмісту викликає як стрибкоподібне зростання
поруватості остовів, так і зменшення їхньої міцності.
Міцність керамічних остовів зменшується з 316,3 до 11 МПа при
збільшенні поруватості від 19 до 62% відповідно. При вихідному вмісті
крохмалю 51% (об.) керамічні остови мають оптимальне співвідношення
міцності та поруватості, значення яких складають 92 МПа та 38%
відповідно. Критично низьку міцність (21, 22,8 та 11 МПа) для остовів з
вихідним вмістом крохмалю 58, 64 та 69% відповідно можна пояснити
утворенням крупних пор розміром ~10 мкм, які, в свою чергу, стають
додатковими концентраторами напружень при руйнуванні.
Використання порошку 3,5YSZ замість 8YSZ для виготовлення остову
анода керамічної паливної комірки є доцільним, оскільки дозволяє
отримати вищу міцність при однаковій поруватості 35—40%, достатній
для роботи паливної комірки.
1. Gorte R. J. SOFC anodes for the direct electrochemical oxidation of hydrocarbons /
R. J. Gorte, J. M. Vohs // J. of Catalysis. — 2003. — 216. — P. 477—486.
2. Shaikh S. A review on the selection of anode materials for solid oxide fuel cells /
S. Shaikh, A. Muchtar, M. Somalu // Renewable and Sustainable Energy Reviews. —
2015. — 51. — P. 1—8.
3. Vasylyev O. The structural optimization of ceramic fuel cells / O. Vasylyev,
M. Brychevskyi, Y. Brodnikovskyi // Universal J. of Chem. — 2016. — 4 (2). —
P. 31—54.
4. Brodnikovskyi Y. Solid oxide fuel cell anode materials // Powder Metallurgy and
Metal Ceramics. — 2015. — 54 (3). — P. 166—174.
5. Shri Prakash B. Properties and development of Ni/YSZ as an anode material in
solid oxide fuel cell: A review / B. Shri Prakash, S. Senthil Kumar, S. T. Aruna //
Renewable and Sustainable Energy Reviews. — 2014. — 36. — P. 149—179.
6. Timurkutluk B. A review on cell/stack design for high performance solid oxide fuel
cells / [B. Timurkutluk, C. Timurkutluk, M. Mat et al.] // Ibid. — 2016. — 56. —
P. 1101—1121.
7. Бродніковський Є. М. Виготовлення остового анода для керамічних паливних
комірок та дослідження його механічної поведінки / [Є. М. Бродніковський,
М. М. Бричевський, В. І. Чедрик та ін.] // Электронная микроскопия и
прочность материалов. — К. : Ин-т пробл. материаловедения НАН Украины. —
2010. — Вып. 17. — С. 97—101.
8. Buyukaksoy A. Effect of porous YSZ scaffold microstructure on the long-term
performance of infiltrated Ni–YSZ anodes / A. Buyukaksoy, S. Kammampata,
V. Birss // J. of Power Sources. — 2015. — 287. — P. 349—358.
9. Liu Z. B. Fabrication and modification of solid oxide fuel cell anodes via wet
impregnation/infiltration technique / [Z. B. Liu, B. B. Liu, D. Ding et al.] // J. of
Power Sources. — 2013. — 237. — P. 243—259.
10. Singhal S. C. High-temperature solid oxide fuel cells: Fundamentals, design and
applications / S. C. Singhal, K. Kendall. — Oxford, U. K.: Elsevier, 2003. — 406 p.
123
11. Васильев А. Д. Циркониевая керамика и ее перспективы в Украине / А. Д. Ва-
сильев, Г. Я. Акимов, А. Ю. Коваль // Огнеупоры и техническая керамика. —
2000. — 10. — С. 2—5.
12. Полішко І. О. Вплив поруватості на міцність і електричну провідність
композита NiO—3,5YSZ та його кермету Ni—3,5YSZ / [І. О. Полішко,
Є. М. Бродніковський, Д. М. Бродніковський та ін.] // Порошковая металлур-
гия. — 2017. — 5/6. — С. 80—94.
13. Radovic M. Mechanical properties of tape cast nickel-based anode materials for
solid oxide fuel cells before and after reduction in hydrogen / M. Radovic, E. Lara-
сurzio // Acta Mater. — 2004. — 52. — P. 5747—5756.
Влияние пористости на прочность 3,5YSZ-керамического
каркаса анода топливного элемента
И. А. Полишко, Е. Н. Бродниковский, Д. Н. Бродниковский,
В. Я. Подгурская, Б. Д. Васылив, А. Д. Васильев
Исследовано влияние пористости на прочность каркаса 3,5YSZ (ZrO2, стабили-
зированный 3,5% (мол.) Y2O3). Изменение пористости каркаса обеспечивали
добавлением гранулированного крахмала от 10 до 69% (об.) в порошок 3,5YSZ.
Оптимальные значения пористости (38%) и прочности (92 МПа) получены в
каркасах с содержанием 51% (об.) крахмала. Установлено, что замена 8YSZ на
3,5YSZ является приемлемым для изготовления керамической составляющей
анода топливного элемента каркасным методом. При одинаковой пористости
(38%) каркасы 3,5YSZ и 8YSZ демонстрируют прочность 92 и 38 МПа
соответственно.
Ключевые слова: керамика, диоксид циркония, керамический каркас, пористость,
прочность, анод, твердооксидный топливный элемент.
The influence of porosity on mechanical strength of 3,5YSZ ceramic
carcass for anode solid oxide fuel cell application
I. О. Polishko, Y. M. Brodnikovskyi, D. M. Brodnikovskyi, V. Y. Podhurska,
B. D. Vasyliv, O. D. Vasylyev
The influence of porosity on mechanical strength 3,5YSZ (ZrO2, stabilized with
3,5% (mol.) Y2O3) carcass was studied. The changes of carcasses porosity were
provided by addition of granulated starch in range of 10—69% (vol.) in 3,5YSZ powder.
Optimal level of porosity (38%) and mechanical strength (92 MPa) were obtained in
carcasses with 51% (vol.) of starch. It was found, that replacement 8YSZ with 3,5YSZ is
acceptable for manufacturing of ceramic component of anode solid oxide fuel cell via
carcass method. Thus, with the same level of porosity (38%) 3,5YSZ and 8YSZ car-
casses demonstrated mechanical strength of 92 and 38 MPa, respectively.
Keywords: ceramic, zirconium dioxide, ceramic carcass, porosity, mechanical strength,
anode, solid oxide fuel cell.
|