Inkjet Printing for Low-Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Comparative Fabrication Techniques and Microstructural Investigations
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2024-09-20
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2024
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
120 + app. 86
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 170/2024
Abstract
Solid oxide fuel cells (SOFCs) are emerging as a promising technology for clean energy generation, yet their market penetration is hampered by du-rability and stability challenges. This thesis addresses these challenges by focusing on new fabrication methods for SOFC components and their microstructure. It employs advanced basic materials in the manufacturing process, enabling much lower operating temperatures than traditional materials, which could potentially improve the longevity of the cells. The thesis introduces a unique inkjet printing technique, a mask-free, accurate, and contactless method for fabricating high-performance materials with customized microstructures. This is particularly beneficial for cathodes, where oxygen reduction reactions contribute to activation loss in SOFCs. The research involved developing and optimizing three distinct ink formulations: La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3 (LSCF), CuFe2O4, and CuFe2O4 – Gd:CeO2 (GDC) nanocomposite. These formulations were compared with other low-viscosity inks used in drop casting and spin coating. The created inks have undergone extensive evaluation, which includes particle size analysis, rheological characteristics, and thermal analysis, as well as microstructural investigations and electrochemical performance measurement. All inks demonstrated excellent jetting performance, with Z parameters indicating their suitability for the inkjet printing process. For instance, fresh LSCF ink and CuFe2O4 – GDC nanocomposite ink showed Z parameters of 2.77 and 5.5, respectively, at their printing temperature. Electrochemical performance analysis revealed improvements compared to drop casting and spin coating techniques with the same ink. Inkjet print-ing reduced the ohmic resistance of the LSCF symmetric cell from 1.05 Ω cm² to 0.37 Ω cm² at 550°C in an air atmosphere and decreased the mass diffusion resistance by 4.25 times compared to a drop-casted cell. Further comparisons using Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) showed that inkjet printing could lower the area-specific resistance (ASR) of a 100-layer cell significantly from 19.59 Ω cm² to 5.99 Ω cm² under similar conditions. For the CuFe2O4 – GDC nanocomposite ink – Samba cartridge case at 650°C under H2 and air atmospheres, the best inkjet-printed complete fuel cell gave a Rohm and ASR of 0.96 and 1.12 Ω cm², respectively, using just 2.16 mg of deposited ink (1.63 mg cm-2). In contrast, a spin-coated cell with the same ink amount exhibited higher Rohm (3.2 Ω cm²) and ASR (37.82 Ω cm²). The drop-cast cell with 6.2 times more deposited ink showed even higher values (Rohm = 8.84 Ω cm² and ASR = 15.96 Ω cm²). These findings highlight the potential of inkjet printing for morphological control, improving gas transport, lowering ion transport losses, and speed-ing up charge transfer reactions. This resulted in improved electrochemical performance, emphasizing the potential of inkjet printing in tailoring cathode morphology for the development of high-performance materials in electrochemical energy conversion.Kiinteäoksidipolttokenno (SOFC) on lupaava puhtaan energian teknologia, mutta sen haasteena on mm. kennojen kestävyys ja stabiilisuus. Tämä väitöskirja käsittelee näitä haasteita tutkimalla uusien SOFC-komponenttien valmistusmenetelmiä ja niiden mikrorakenteita. Työssä hyödynnetään kehittyneitä perusmateriaaleja valmistusprosessissa, mikä mahdollistaa huomattavasti alhaisemmat käyttölämpötilat kuin perinteisillä materiaaleilla, mikä puolestaan voi parantaa kennojen käyttöikää. Väitöskirjassa esitellään ainutlaatuinen mustesuihkutulostustekniikka, joka on maskiton, tarkka ja kosketukseton menetelmä korkean suorituskyvyn materiaalien valmistamiseksi räätälöidyillä mikrorakenteilla. Tämä on erityisen hyödyllistä katodissa, jossa hapen pelkistysreaktio aiheuttaa aktivointihäviöitä. Tutkimuksessa kehitettiin ja optimoitiin kolme erilaista ainekoostumusta: La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3 (LSCF), CuFe2O4 ja CuFe2O4 – Gd:CeO2 (GDC) nanokomposiitti. Näitä verrattiin muihin pienviskositeettisiin musteisiin, joita käytettiin pisaravalussa ja pyöröpinnoituksessa. Kehitettyjä musteiden ominaisuuksia analysoitiin monipuolisesti erilaisin menetelmin. Kaikki musteet osoittivat erinomaista suihkutuskykyä ja ne soveltuvat hyvin mustesuihkutulostusprosessiin. Mustesuihkuntulostus paransi selvästi sähkökemiallista suorituskykyä pisaravalu- ja pyöröpinnoitustekniikoihin verrattuna samalla musteella. Esimerkiksi LSCF-symmetrisen kennon ohminen vastus putosi lähes kolmannekseen pisaravalettuun kennoon verrattuna 550 °C:ssa ilmassa ja vähensi massadiffuusiovastusta 4,25-kertaisesti. Impedanssispektroskopialla havaittiin, että mustesuihkutulostus voi laskea 100-kerroksisen kennon pinta-alakohtaista vastusta lähes 70 prosenttia. CuFe2O4 – GDC-nanokomposiittimusteella käyttäen Samba-patruunaa 650°C:ssa vety- ja ilmakehissä, paras mustesuihkutulostettu täydellinen polttokenno antoi ohmiselle ja pinta-alakohtaiselle vastukselle arvot 0.96 ja 1.12 Ω cm² käyttäen vain 1,63 mg cm-2 mustetta. Pyöröpinnoitetussa ja pisaravaletussa kennossa samalla mustemäärällä saatiin huomattavasti korkeammat vastusarvot. Työn tulokset korostavat mustesuihkutulostuksen potentiaalia morfologisessa hallinnassa, kaasunsiirron parantamisessa, ionisiirtohäviöiden vähentämisessä ja varaussiirtoreaktioiden nopeuttamisessa. Tätä kautta kennojen sähkökemiallinen suorituskyky parani, mikä korostaa mustesuihkutulostuksen potentiaalia katodimorfologian räätälöinnissä korkean suorituskyvyn materiaalien kehittämiseksi sähkökemiallisessa energianmuunnossa kuten polttokennoissa.Description
Supervising professor
Lund, Peter D., Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandThesis advisor
Asghar, Muhammad Imran, Prof., Tampere University Finland, and Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandKeywords
inkjet printing, low-temperature, solid oxide fuel cells: fabrication techniques, microstructural investigations, mustesuihkutulostus, matala lämpötila, kiinteän oksidin polttokennot, valmistustekniikat, mikrostruktuuritutkimus
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Zarabi Golkhatmi, Sanaz; Asghar, Muhammad Imran; Lund, Peter D., A review on solid oxide fuel cell durability: Latest progress, mechanisms, and study tools, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 161, 112339 (2022),
DOI: 10.1016/j.rser.2022.112339 View at publisher
-
[Publication 2]: Zarabi Golkhatmi, Sanaz; Asghar, Muhammad Imran; Lund, Peter D., Development, and characterization of highly stable electrode inks for low-temperature ceramic fuel cells, Journal of Power Sources, 552, 232263 (2022),
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202211096465DOI: 10.1016/j.jpowsour.2022.232263 View at publisher
-
[Publication 3]: Zarabi Golkhatmi, Sanaz; Lund, Peter D., Asghar, Muhammad Imran, A novel CuFe2O4 ink for the fabrication of low-temperature ceramic fuel cell cathodes through inkjet printing, Materials Advances, 5 (1), 143-158 (2024),
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202401171520DOI: 10.1039/D3MA00352C View at publisher
- [Publication 4]: Zarabi Golkhatmi, Sanaz; Lund, Peter D., Asghar, Muhammad Imran, A comparative analysis of CuFe2O4-Ce0.8Gd0.2O2 nanocomposite ceramic fuel cell cathodes fabricated through inkjet printing, spin-coating and drop casting, submitted to Catalysis Today, March 2024, 25 pages
