การขึ้นรูปครึ่งเซลล์นิกเกิลออกไซด์-อิตเทรียสเตบิไลซ์เซอร์โคเนียด้วยเทคนิคการฉีดขึ้นรูปวัสดุผงและการตกสะสมอิเล็กโทรโฟรีติกเพื่อการประยุกต์เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง

Abstract

งานวิจัยนี้ได้ทำการขึ้นรูปครึ่งเซลล์ของเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็งที่ประกอบด้วย (i) แผ่นรองแอโนดชนิดนิกเกิลออกไซด์ (NiO)-อิตเทรียสเตบิไลซ์เซอร์โคเนีย (YSZ) และ (ii) ฟิล์มบางอิเล็กโทรไลต์ของ YSZ โดยเริ่มต้นจากการศึกษาผลของปัจจัยการขึ้นรูปแผ่นรองแอโนดด้วยเทคนิคการฉีดขึ้นรูปวัสดุผงต่อความสามารถในการขึ้นรูป สัดส่วนรูพรุน และโครงสร้างจุลภาคของแผ่นรองแอโนดที่เตรียมได้ โดยปัจจัยที่ศึกษาในงานวิจัยนี้ประกอบด้วย (i) อัตราส่วนระหว่างผง NiO/YSZ กับตัวประสานผสม (ii) ระยะเวลาการบดผสม (iii) อุณหภูมิการฉีดขึ้นรูป และ (iv) อัตราส่วนของ NiO:YSZ ซึ่งจากผลการวิจัยพบว่าการใช้อัตราส่วนระหว่างผง NiO/YSZ กับตัวประสานผสมชนิดพอลิเอทิลีนไกลคอล (PEG) และพอลิไวนิลบิวทีรอล (PVB) ในอัตราส่วน 34:66 โดยปริมาตร โดยใช้ระยะเวลาการบดผสมผง NiO/YSZ เป็นเวลา 24 ชั่วโมง และอุณหภูมิฉีด 190ºC ทำให้ได้แผ่นรองแอโนดที่มีความแข็งแรงและมีรูพรุนเหมาะสมต่อการเตรียมชั้นอิเล็กโทรไลต์ในขั้นต่อไป จากนั้นจึงทำการขึ้นรูปชั้นอิเล็กโทรไลต์ด้วยเทคนิคการตกสะสมอิเล็กโทรโฟรีติกลงบนแผ่นรองแอโนดที่เตรียมได้ ซึ่งพบว่าความหนาของชั้นอิเล็กโทรไลต์ขึ้นอยู่กับความต่างศักย์ ระยะเวลาการตกสะสม โครงสร้างจุลภาคของแผ่นรองแอโนดและอุณหภูมิการเผาผนึกร่วม ซึ่งในงานวิจัยนี้ได้เลือกครึ่งเซลล์ที่เตรียมโดยใช้ความต่างศักย์ 30 โวลต์ ระยะเวลาการตกสะสม 2 นาที ที่อุณหภูมิเผาผนึกร่วม 1250 และ 1350ºC ในการทดสอบประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าที่อุณหภูมิการทำงาน 800ºC ผลการทดลองที่ได้พบว่าค่าความต่างศักย์วงจรเปิดของเซลล์อยู่ในช่วง 0.99 - 1.03 โวลต์ และค่ากำลังไฟฟ้าสูงสุดของเซลล์คือ 12.84 2.63 และ 40.08 mW/cm2 เมื่อใช้แผ่นรองแอโนดที่มีอัตราส่วน NiO:YSZ ที่ 50:50 60:40 และ 70:30 โดยน้ำหนัก ตามลำดับ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าชั้นอิเล็กโทรไลต์ที่เตรียมได้มีความหนาแน่นสูง แต่แผ่นรองแอโนดยังมีรูพรุนต่อเนื่องต่ำ ทำให้ค่ากำลังไฟฟ้าสูงสุดของเซลล์มีค่าต่ำกว่างานวิจัยที่ผ่านมา