Characterization of extrusion-based 3D printed single-layer ceramic nanocomposite fuel cells

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2021-08-24
Department
Major/Subject
Engineering Physics
Mcode
SCI3056
Degree programme
Master’s Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
54 + 10
Series
Abstract
A fuel cell is an electrochemical device that directly converts the chemical energy of a fuel (usually hydrogen) into electricity. Fuel cells efficiency from fuel to electricity is high, theoretical efficiency being higher for the fuel cells than for the heat engines in most conditions. Typically fuel cells consist of three main components: anode, electrolyte, and cathode, where the purpose of the electrolyte is to conduct ions (e.g. H+, O2-) to allow electrochemical reactions to happen but avoid electric short-circuiting of the cell. However, also single-layer structure has been shown to work, producing promising electrical performance. In this thesis single-layer fuel cells (SLFC), using nanocomposite electrolyte (GDC-NLK)were fabricated by extrusion 3D printing, using paste prepared from LNZ-GDC-NLK powder. The electrical performance of the printed cells was compared to the reference cell prepared from the same material (LNZ-GDC-NLK), fabricated by conventional powder pressing method. Sintering temperature seems to have a large effect on the printed cells. During sintering printed cells shrunk significantly, higher sintering temperature increasing shrinking. The strength of the cells seems to increase with the sintering temperature, in addition, electrical performance achieved a maximum around 900 C sintering temperature. Electrical performance under operation conditions (Air - H2 at 1 atm, T = 600 C) of the best printed cells (Pmax = 230 mW/cm2, VOC = 900 mV, JSC = 1.0 A/cm2) were similar to the performance of the reference cell (Pmax = 240 mW/cm2, VOC = 900 mV, JSC = 1.0 A/cm2). In addition, proton conductance was found to be the dominant ionic conductivity method in the cells. (Long-term) stability of the cells was not studied, however, printed cells sintered at low temperatures (< 900 C) were not mechanically stable under operating conditions in few hours time scale.

Polttokenno on sähkökemiallinen laite, joka muuttaa polttoaineen (useimmiten vety) kemiallisen energian suoraan sähköksi. Polttokennojen hyötysuhde polttoaineesta sähköksi on hyvä, teoreettisen hyötysuhteen ollessa useimmissa olosuhteissa korkeampi, kuin lämpövoimakoneiden hyötysuhde. Perinteisesti polttokenno koostuu kolmesta pääkomponentista: anodi, elektrolyytti ja katodi, missä elektrolyytin tarkoitus on kuljettaa ioneja (esim. H+, O2-) elektrodien välillä mahdollistaen kennon sähkökemiallisen toiminnan, mutta estää kennon sähköinen oikosulku. Kuitenkin myös yksikerroksisten polttokennojen on osoitettu toimivan, tuottaen lupaavia tuloksia. Tässä työssä valmistettiin yksikerroksisia polttokennoja, joissa on keraaminen nanokomposiittielektrolyytti (GDC-NLK), puristustulostamalla (3D tulostusmenetelmä) käyttäen LNZ-GDC-NLK pohjaista pastaa. Valmistettujen kennojen sähkökemiallista toimintaa mitattiin ja sitä verrattiin yksikerroksiseen polttokennoon, joka on valmistettu samasta materiaalista (LNZ-GDC-NLK jauhe) tavanomaisella puristusmenetelmällä. Tulostettujen kennojen sintrauslämpötilalla on merkittävä vaikutus kennoihin. Sintrauksen aikana tulostetut kennot kutistuvat merkittävästi, sitä enemmän mitä korkeampi lämpötila on. Korkeampi sintrauslämpötila lisää myös kennojen mekaanista kestävyyttä. 900 C sintrauslämpötila johti tulostettujen kennojen osalta parhaaseen sähkökemialliseen suorituskykyyn. Toimintaolosuhteissa (ilma - H2 ilmakehän paineessa, T = 600 C) parhaiden tulostettujen kennojen sähkökemiallinen suorituskyky (Pmax = 2 30 mW/cm2, VOC = 900 mV, JSC = 1.0 A/cm2) oli hyvin samankaltainen kuin vertailukennojen suorituskyky (Pmax = 240 mW/cm2, VOC = 900 mV, JSC = 1.0 A/cm2). Protonien johtumisen havaittiin olevan pääasiallinen ionin johtumismenetelmä kennoissa. Kennojen (pitkän ajan) vakautta ei tutkittu, mutta matalassa lämpötilassa (< 900 C) sintrattujen tulostettujen kennojen havaittiin olevan mekaanisesti epävakaita toimintaolosuhteissa.
Description
Supervisor
Lund, Peter
Thesis advisor
Asghar, Imran
Keywords
fuel cell, ceramic, alkali-carbonates, nanocomposite, 3D printing, extrusion
Other note
Citation