فهرست مطالب:

فصل اول : مقدمه………………………………. 1

1-1-  مقدمه…………………………….. 2

فصل دوم : مروری برمنابع مطالعاتی……………………………… 5

2-1-  فناوری نانو…………………………….. 6

2-2- خواص نانوذرات………………………………. 7

2-3- روش های تولید نانو ذرات………………………………. 7

2-4- کاربرد نانو تکنولوژی……………………………… 8

2-5- نانو کامپوزیت های سرامیکی……………………………… 10

2-5-1- طبقه بندی نانو کمپوزیت های سرامیکی………………………….. 10

2-5-2-  خواص و کاربرد نانو کامپوزیتهای سرامیکی………………………… 11

2-6- نانو محلولهای جامد سرامیکی……………………………… 11

2-6-1- محلول جامد از نوع  بین نشینی……………………………… 11

2-6-2- محلول جامد از نوع جانشینی……………………………… 11

2-6-2-1- انواع محلول جامد جانشینی……………………………… 11

2-6-3- خواص مکانیکی محلول های جامد…………………………….. 12

2-6-4- محلولهای جامد فوق اشباع…………………………….. 12

2-7- روش های سنتز نانو محلول های جامد سرامیکی…………………. 12

2-7-1- آلیاژ سازی مکانیکی……………………………… 12

2-7-2- سل- ژل…………………………….. 13

2-7-3- رسوبی و همرسوبی (رسوبگذاری)…………………………….. 14

2-8-  پیل سوختی چیست؟…………………………….. 15

2-9- تاریخچه پیل سوختی……………………………… 18

2-10- انواع پیل های سوختی……………………………… 19

2-10-1- پیل سوختی اسید فسفریک  (PAFC)……………………………. 19

2-10-2- پیل سوختی قلیایی (AFC)……………………………. 20

2-10-3- پیل سوختی كربنات  مذاب (MCFC)……………………………. 20

2-10-4- پیل  سوختی الکترولیت پلیمر یا غشای مبادله کننده پروتون(PEFC)………21

2-10-5- پیل  سوختی  اكسید جامد (SOFC) …………………………….22

2-10-5-1- تاریخچه پیل ‌سوختی اكسید جامد (SOFC)…………………. 22

2-10-5-2- وظیفه صفحات الكترود متخلخل در پیل ‌سوختی اکسید جامد شامل موارد زیر است……24

2-10-5-3- روابط و واکنشهای موجود در یک پیل سوختی اکسید جامد……………. 24

2-10-5-4- نیروی الکتروموتیو (EMF) و معادله  نرنست برای پیل های سوختی اکسید جامد…….. 25

2-10-5-5- پتانسیل الکتروشیمیایی و رسانایی یونی در پیل های سوختی اکسید جامد………. 26

2-10-5-6- محاسبه رسانایی الکتریکی و مقاومت الکتریکی برای پیل های سوختی اکسید جامد…… 26

2-10-5-7-  جزئیات عملکرد پیل های سوختی اکسید جامد…………………..26

2-11-  مقایسه كلی بین پیل های سوختی از نظر دمای كاركرد و  بازده و توان تولیدی…..29

2-12- مزایا و معایب پیل های سوختی……………………………… 30

2-13- موانع پیش روی استفاده از پیل های سوختی…………….. 31

2-14-  کاربرد های  پیل سوختی……………………………… 32

2-15- زیرکونیا……………………………. 33

2-15-1- خواص  فیزیكی، مكانیكی، و شیمیائی زیركونیا………………. 33

2-15-2- پلی مورف های زیركونیا……………………………. 34

2-15-2-1-  فاز مونوكلینیک زیركونیا……………………………. 34

2-15-2-2- فاز تتراگونال زیركونیا …………………………….35

2-15-2-3- فاز مکعبی زیركونیا……………………………. 35

2-15-3- كاربرد های زیركونیا……………………………. 35

2-15-3-1- كاربرد های مبتنی بر خواص الكتریكی زیركنیا………………………. 36

2-15-3-2- كاربرد های مبنی بر دیرگدازی زیركونیا……………………………. 36

2-15-3-3- كاربرد های مبتنی بر خواص مكانیكی……………………………… 37

2-16- مقدمه ای برآند پیل سوختی اکسید جامد…………………………….. 37

2-17- ناحیه سه فازی درآند…………………………….. 38

2-18-  انواع مواد آندی……………………………… 39

2-18-1-  سرمتYSZ  –Ni…………………………….

2-18-2- فلورایت ها …………………………….41

2-18-3- مواد آندی پروسکایت………………………………. 44

2-18-4- مواد آندی تنگستن برنز…………………………….. 48

2-18-5- مواد آندی پیروکلر…………………………….. 49

2-18-6- مواد آندی سولفور آزاد…………………………….. 50

2-19- توسعه سینتیک و مکانیسم واکنش و مدل آند ها …………………51

2-20- توسعه تکنولوژی های ارزان قیمت برای تولید و ساخت آند………….55

فصل سوم : فعالیت های آزمایشگاهی……………………………… 58

3-1- مواد اولیه مورد استفاده …………………………….59

3-2- روش کار…………………………….. 60

3-2-1- مراحل سنتز پودر (AZ)…………………………….. 60

3-2-1-1- مرحله اول: اختلاط مواد اولیه…………………………….. 61

3-2-1-2- رفلاکس سیستم…………………………….. 61

3-2-1-3- مرحله سوم: سانتریفیوژ محلول…………………………….. 62

3-2-1-4- مرحله ی چهارم : شستشو رسوب بدست آمده …………….62

3-2-1-5- مرحله پنجم: خشک کردن و عملیات حرارتی اولیه………… 62

3-2-2- سنتز پودر AZN))……………………………..

3-2-3- سنتز پودر (AZNC) …………………………….63

3-3- تهیه و ساخت آند پیل سوختی اکسید جامد………………… 64

3-3-1- روش خشک………………………………. 65

3-3-1-1- تخلخل زای: PVA (پلی ونیل استات)…………………… 65

 

 

3-3-1-2- تخلخل زای: T.P.P (تری فنیل فسفین)………………… 67

3-3-1-3- تخلخل زای :خاک اره……………………………. 68

3-3-1-4- تخلخل زای:CMC  (کربوکسی متیل سلولز)……………….. 69

3-3-1-5- تخلخل زای: نمک طعام  (NaCl )………………………….. 70

3-3-1-6- تخلخل زای:  شکر…………………………….. 70

3-3-1-7- تخلخل زای: اوره Urea……………………………..

3-3-1-8- تخلخل زای:PEG  (پلی اتیلن گلیکول)…………………………….. 72

3-3-1-9- تخلخل زای :MC  (متیل سلولز)…………………………….. 73

3-3-1-10- تخلخل زای: مخلوط PVA و T.P.P……………………………..

3-3-1-11- تخلخل زای : مخلوط T.P.P وMC………………………………

3-3-1-12- تخلخل زای: اختلاط  PVAو  PEG………………………………

3-3-1-13- تخلخل زای: PEG وMC………………………………

3-3-1-14- تخلخل زای: PEG وT.P.P……………………………..

3-3-1-15- تخلخل زای: PVA، PEG، MC………………………………

3-3-1-16- تخلخل زا ی : PVA،PEG ، T.P.P……………………………..

3-3-2- روش تر…………………………….. 78

3-3-2-1- تخلخل زای: PVA (پلی ونیل استات)…………………………….. 78

3-3-2-2- تخلخل زای : T.P.P (تری فنیل فسفین)…………………………….. 80

3-3-2-3- تخلخل زای:  MC(متیل سلولز)…………………………….. 82

3-3-2-4- تخلخل زا:PEG  (پلی اتیلن گلیکول)…………………………….. 83

3-3-3- ساخت آند نهایی توسط PEG………………………………

3-4- اندازه گیری چگالی قطعات ساخته شده……………………………. 87

3-4-1- دانسیته ارشمیدسی……………………………… 87

3-4-2-  دانسیته معمولی……………………………… 87

3-5- تجهیزات مورد استفاده……………………………. 88

3-5-1- آنالیز براش اشعه ایکس (XRD) …………………………….88

3-5-2- آنالیز طیف سنجی مادون قرمز فوریه (FTIR)……………………………. 88

3-5-3- آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و آنالیز (EDX) ……………88

3-5-4- آنالیز UV-vis……………………………..

3-5-5- آنالیزمیکروسکوپ الکترونی عبوری TEM……………………………….

فصل چهارم : نتایج و بحث………………………………. 90

4-1- بررسی خواص فیزیکی وشیمیایی پودرسنتزشده…………………….. 91

4-1-1- بررسی نتایج حاصل ازآنالیزتفرق اشعه ی ایکس…………………… 91

4-1-1-1- نمونهAZ………………………………

4-1-1-2- نمونه : AZN………………………………

4-1-1-3- نمونه AZNC………………………………

4-1-2- ارزیابی تثبیت فازی در نمونه های تهیه شده، با بهره گرفتن از آنالیز پراش اشعه ی ایکس………98

4-1-2-1- نمونه AZ………………………………

4-1-2-2-  نمونه AZN………………………………

4-1-2-3-  نمونه AZNC………………………………

4-1-2- نتایج حاصل از طیف سنجی مادون قرمز…………………………….. 101

4-1-2-1- نتایج حاصل از طیف سنجی مادون قرمزنمونه AZ…………………

4-1-2-2- نتایج حاصل از طیف سنجی مادون قرمز نمونه AZN………………

4-1-2-3- نتایج حاصل از طیف سنجی مادون قرمز نمونه AZNC………………

4-1-3- نتایج حاصل از آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشیSEM  و عبوری TEM…………

4-1-3-1- نتایج آنالیز SEM  برای نمونه AZ………………………………

4-1-3-2-  نتایج آنالیز  TEMبرای نمونه AZ………………………………

4-1-3-3- نتایج آنالیز  SEMبرای نمونه  AZN………………………………

4-1-3-4- نتایج آنالیز  TEMبرای نمونه AZN………………………………

4-1-3-5- نتایج آنالیز  SEM برای نمونه AZNC………………………………

4-1-3-6- نتایج آنالیز  TEMبرای نمونهAZNC………………………………

4-1-4- نتایج حاصل از تست EDX………………………………

4-1-4-1- نتایج حاصل از تست EDX برای نمونه AZ………………………………

4-1-4-2- نتایج حاصل از تست EDX برای نمونهAZN………………………………

4-1-4-3- نتایج حاصل از تست  EDXبرای نمونه AZNC………………………………

4-1-5- نتایج حاصل از تست UV-vis……………………………..

4-1-5-1- نتایج حاصل از تست UV-vis برای نمونه AZ………………………………

4-1-5-2- نتایج حاصل از تست UV-vis برای نمونه AZN………………………………

4-1-5-3- نتایج حاصل از تست UV-vis برای نمونه AZNC………………………………

4-1-6-  نتایج حاصل از قطعات ساخته شده به روش اختلاط خشک…………….. 121

4-1-6-1- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای PVA…………………..

4-1-6-2- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای T.P.P…………………..

4-1-6-3- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با خاک اره……………………………. 121

4-1-6-4- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با CMC………………………………

4-1-6-5- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با نمک طعام………………………… 121

4-1-6-6- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با شکر…………………………….. 121

4-1-6-7- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با اوره …………………………….122

4-1-6-8- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با PEG………………………………

4-1-6-9- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با MC………………………………

4-1-6-10- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با PVA و T.P.P……………………….

4-1-6-11- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با MC و T.P.P……………………..

4-1-6-12- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با  PVA و PEG……………………….

4-1-6-13- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با  PEGوMC………………………..

4-1-6-14- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با PEG  و T.P.P……………………..

4-1-6-15- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با  PEGو PVA و MC………………

4-1-6-15- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با  PEGو PVA و T.P.P……………….

4-1-7-  نتایج حاصل از اختلاط تخلخل زا ها با حلال برای تهیه یک تخلخل زای مناسب……123

4-1-7-1-  نتایج حاصل از اختلاط تخلخل زای  PVA و حلال…………………………….. 123

4-1-7-2-  نتایج حاصل از اختلاط تخلخل زای  T.P.P و حلال…………………………….. 124

4-1-7-3-  نتایج حاصل از اختلاط تخلخل زای  MCو حلال…………………………….. 124

4-1-7-4-  نتایج حاصل از اختلاط تخلخل زای  PEGو حلال…………………………….. 124

4-1-8-  نتایج حاصل از قطعات ساخته شده به روش اختلاط تر………………………… 125

4-1-8-1- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای PVA   به روش اختلاط تر…….125

4-1-8-2- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای T.P.P به روش اختلاط تر………125

4-1-8-3- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای MC  به روش اختلاط تر……….125

4-1-8-4- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای PEG  به روش اختلاط تر……….125

4-9-1- نتایج حاصل از دانسیته ارشمیدسی برای قطعات……………………… 126

4-10-1- نتایج حاصل از دانسیته معمولی برای قطعات…………………………. 127

فصل پنجم : نتیجه گیری وپیشنهادات………………………………. 128

5-1- نتیجه گیری نهایی……………………………… 129

5-2-  پیشنهادات………………………………. 130

مراجع……………………………… 131

چکیده:

نانومحلول های  جامد Al/ZrO2 وAl -Ni/ZrO2  و Al-Ni-Cu/ZrO2 به روش سنتز هم رسوبی با بهره گرفتن از هیدرولیز نمک های زیرکونیوم، آلومینیوم، نیکل و مس در اتانول آماده سازی شدند. محلول های جامد تهیه شده دردماهای مختلف و تحت اتمسفر هوا عملیات حرارتی شدند.و نقش عملیات حرارتی در تثبیت فاز مونوکلینیک در دماهای مختلف توسط XRD بررسی شد. خواص فیزیکی و شیمیایی نانومحلول های جامد تهیه شده توسط آنالیزهای FTIR ,UV-vis ,TEM ,SEM و EDX مورد بررسی قرارگرفت. باتوجه به نتایج آنالیز XRDتثبیت فازمونوکلینیک در محلول جامد صورت گرفته و نتایج SEM مورفولوژی کروی و یکنواختی اندازه ذرات رابرای نمونه های تهیه شده نشان می دهند. پودر های تهیه شده به منظور تولید مواد پایه آند پیل سوختی اکسید جامد، به روش تر و باتخلخل زای پلی اتیلن گلیکول مخلوط شده و توسط پرس هیدرولیک یکطرفه شکل دهی شدند و استحکام و دانسیته در آنها به مقدار بهینه رسید. دانسیته نسبی برای بهترین نمونه مقدار062/3 گرم برسانتی متر مکعب بدست آمد و تخلخل نمونه ها در حدود40-50 درصد محاسبه شد.

فصل اول: مقدمه

1-1- مقدمه

انرژی از دیر باز به عنوان موتور محرک جوامع بشری شناخته شده است و با پیشرفت بشر بر اهمیت و تأثیر گذاری آن در زندگی بشر افزوده شده است. بر این اساس هیدروژن به عنوان یکی از سوختهای پاک یکی از بهترین گزینه ها جهت ایفای نقش حامل انرژی در این سیستم جدید ارائه انرژی می  باشد ]1[. بشردرآینده ای نه چندان دورعصر هیدروژن راتجربه خواهدکرد]1و2[. عمل تبدیل انرژی شیمیایی موجود در هیدروژن به انرژی الکتریکی توسط دستگاهی به نام پیل سوختی انجام می پذیرد]3[. پیل های سوختی در کاهش آلودگی محیط زیست نقش به سزایی را ایفا می کنند و به خاطر عدم به کارگیری قطعات  مکانیکی زیاد ایجاد آلودگی صوتی نیز نمی نمایند]3[. پیل های سوختی به عنوان یک منبع بسیار ایده آل انرژی برای استفاده های ساکن وغیر ساکن ، نظیر حمل ونقل و نیرو گاه ها می باشند .در این بین پیل های سوختی اکسید جامد (SOFCs) بدلیل مزایایی نظیر قیمت ارزانترمواد مورد استفاده درآنها، حساسیت کمتر به ناخالصی های گاز هیدروژن وکارایی بسیار بالاتر یکی از جذاب ترین انواع پیل های سوختی می باشد. این پیل های سوختی به دلیل اینکه هیدروژن ورودی به آنها نیاز به هیچ گونه تغییر و خالص سازی اولیه  ندارد، به شدت از نظر قیمت نسبت به سایر پیل های سوختی ارزان تر می باشند]4[. پیل های سوختی اکسید جامد از سه بخش آند و کاتد و الکترولیت تشکیل شده اند. اساس عملکرد یک پیل سوختی اکسید جامد شامل احیای یک اکسنده (O2) درکاتد و اکسایش یک سوخت (H2) در آند می باشد. در این پیل ها نیاز به یک الکترولیت هادی یون اکسیژن و پروتون، برای واکنشهای الکتروشیمیایی اکسایش و کاهش اکسیژن و هیدروژن، انجام شده درالکترودها می باشد]5[.

امروزه در پیل های سوختی اکسید جامد بطور گسترده از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می شود. هیدروژن از منابع مختلف مانند: گازطبیعی، گازهای سنتزی حاصل از تبخیر منابع کربنی و زغال وغیره بدست می آید. هیدروکربنها نیز بطور گسترده به عنوان سوخت این پیل ها رواج پیداکرده اند. سوختهای هیدروکربنی معمولا در دماهای بالای عملکرد پیل سوختی اکسید جامد ناپایدارند و برروی آند به هیدروژن و کربن تبدیل می شوند. سوختهای هیدروکربنی بطور معمول مقدارکمی سولفوربه همراه دارند. کربن حاصل از تجزیه هیدروکربنها و سولفور موجود درآنها مشکلاتی برای عملکردپیل  ایجاد می کنند. برای جلوگیری از نشست کربن در سطح آند معمولا مقداری بخاراضافه به همراه گاز استفاده می شود و همچنین تغیراتی نیز در ترکیبات موادآندداده میشود. برای جلوگیری از سمی شدن پیل توسط سولفور معمولا سوخت را سولفور زدایی می کنند]5[.

 در سالهای اخیر تحقیقات گسترده ای بر روی مواد، کاتالیزورها، علوم سطح و خواص الکتروشیمیایی آندها انجام شده است] 4[. آندهای مورد استفاده در پیل های سوختی اکسید جامد از مواد و تنوع وگستردگی فراوانی برخوردارند. و از روش های ساخت و سنتزمختلفی برای سنتزپودر و ساخت این آندها استفاده می شود. دوویژگی برجسته آند این پیل ها برای انتخاب ماده مناسب برای آند برای کارکردمناسب، الف)رسانایی یونی، ب)رسانایی الکترونی می باشد. زیرکونیا به عنوان یک ماده که به طور ذاتی دارای نقص جای خالی در ساختارمی باشد، یکی ازبهترین گزینه ها برای استفاده درآند این پیل ها می باشد.

     در این تحقیق از سنتز هم رسوبی برای تهیه محلولهای جامد استفاده شد. این روش بدلیل تولید ترکیباتی همگن و با خلوص بسیار بالا ، از اهمیت بسیار زیادی برخوردار بوده و علاوه بر آن کنترل اندازه دانه نیز در این روش بسیار آسان است]12[. هنگامی که زیرکونیا در دماهای پایین به روش هم رسوبی سنتز می شود امکان پایداری فاز تتراگونال به PH و هیدرولیز کننده مورد استفاد،وابسته می شود. در این تحقیق به روش سنتز همرسوبی، 3 محلول جامد، الف)Al-Zr، ب)Al-Zr-Ni،
ج)Al-Zr-Ni-Cu تهیه و آماده سازی شد. این محلول های جامد به عنوان مواد جدید برای استفاده در آند پیل های اکسید جامد طراحی و آماده شدند. ارزان بودن، غیرسمی بودن، سنتزآسان، تکرارپذیری تولید از جمله مزایای این مواد است. یکی از موارد مهم برای تولید و ساخت آندها در پیل سوختی اکسیدجامد، متخلخل بودن این آندها می باشد. این آندها باید دارای تخلخل با اندازه و توزیع یکنواخت باشند. که به این منظور از موادی مانند کربن و مواد دیگری برای متخلخل سازی استفاده می کنند]13[. دراین تحقیق برای متخلخل سازی آند چند نوع مختلف تخلخل زای، ارزان  قیمت و مناسب در آند استفاده شد. که نهایتا منجر به به استفاده از  PEGبه عنوان تخلخل ساز مناسب شد.پس از سنتز و تهیه محلول های جامد، موادحاصل ابتدا در دمای 500 درجه سانتیگراد عملیات حرارتی شدند و سپس برای تعیین تثبیت فازی و زینترینگ نهایی در دماهای800 و1000 و1200 و14700 درجه سانتی گراد عملیات حرارتی شدند.پس ازآن پودرهای حاصل با دو روش تر و خشک با چند نوع تخلخل زا ترکیب و با روش پرس هیدرولیک یکطرفه شکل دهی شده و عملیات حرارتی نهایی در14700 درجه سانتیگراد بر روی آنها صورت گرفت. قطعات آندی که دارای تخلخل مناسب و توزیع و اندازه تخلخل یکنواخت و استحکام کافی بودند، انتخاب شده و چگالی آنها به روش ارشمیدس اندازه گیری شد.

در فصل دوم این پایانامه مفاهیمی در مورد نانو فناوری و نانو محلول جامدها ارائه گردیده است. در ادامه مفاهیم کلی و واکنشهای انجام شده در انواع پیل های سوختی شرح داده شده است.

سپس مفاهیم کلی و عمومی در موردآندهای پیل سوختی اکسید جامد، روش های ساخت و مواد بکار برده شده در آنها، مورد بحث و بررسی قرارگرفته است. درفصل سوم ابتدا به مواد مورد استفاده در این پروژه پرداخته شده است. در ادامه روش های انجام آزمایش(مواد و تجهیزات)ارائه داده شده و در بخش آخر دستگاه ها و لوازم مورد استفاده جهت بررسی و خواص نمونه ها تشریح گردید. درفصل چهارم نتایج حاصل از آزمایشات و بحث های مربوطه ارائه گردیده است. فصل پنجم نتیجه گیری  کلی از این تحقیق رابیان می کند.