Laser micro-patterning of yttria-stabilized zirconia electrolytes for solid oxide fuel cells: effects on microstructure and mechanical properties
Tutor / Supervisor
Student
Rieux, Julie
Document type
Master thesis
Date
2022
rights
Restricted access - author's decision
Publisher
Universitat Politècnica de Catalunya
Degrees
UPCommons
Abstract
Les piles de combustible d'òxid sòlid (SOFC) són dispositius electroquímics que transformen
directament l'energia química d'un combustible en electricitat. Aquesta tecnologia presenta molts
avantatges en comparació amb altres tecnologies tradicionals de generació d'energia, perquè combina
una alta eficiència energètica i calor, baixes emissions i flexibilitat de combustible. Tanmateix, les SOFCs
encara necessiten millorar el rendiment electroquímic de les seves cèl·les. En particular, els paràmetres
més determinants pel rendiment de la cèl·la són l'energia d'activació i el gruix de l'electròlit de zirconia
estabilitzada amb itria (YSZ), que s'utilitza habitualment. Una estratègia eficaç per millorar el rendiment
de la cèl·la és augmentar l'àrea de contacte entre l'electròlit i els elèctrodes (ànode i càtode), ja que
augmenta la superficie de la triple fase (TPB), on es produeixen les reaccions electroquímiques,
afavorint la transferència de càrrega. Un bon enfocament és processar una elevada àrea específica a la
superfície de l'electròlit mitjançant el model d'interferència làser directa. És una tecnologia
prometedora per a la fabricació de patrons de superfície mitjançant fenòmens físics d'interferència.
Proporciona molts avantatges com la capacitat de mecanitzar la superfície amb geometries complexes
sense contacte amb les superfícies.
L'objectiu d'aquest treball és estudiar l'efecte del micro-patró làser sobre la microestructura i les
propietats mecàniques dels electròlits de zirconia estabilitzada amb ítria molars al 3% i 8% per a SOFCs.
Amb aquesta finalitat, aquest projecte es divideix en 2 blocs. En el primer bloc, el processament i el
mecanitzat làser d'electròlits s'ha dut a terme utilitzant mostres de 3YSZ i 8YSZ amb 400 m de gruix
com a electròlits per a SOFCs. Les mostres s'han fabricat mitjançant la tècnica CIP, per ser tractades
mitjançant mecanitzat làser per obtener un patrons de 10-20 μm d'amplada i uns 5-10 μm d'altura de
vall. Els paràmetres de mecanitzat làser, com ara la velocitat i la freqüència làser, s'han optimitzat per
obtenir una elevada àrea específica a la superfície de l'electròlit per a les SOFCs. En el segon bloc, s'han
estudiat les possibles modificacions del mecanitzat làser sobre la microestructura i les propietats
mecàniques d'ambdós materials mitjançant tècniques d'espectroscòpia Raman, Microscòpia
electrònica d'escaneig (SEM) i tècniques de nanoindentació. El SEM i l'espectroscòpia Raman s'ha
utilitzat per determinar la formació de rugositat i microesquerdes i les transformacions de fase a la
superfície tractada amb làser, respectivament. Finalment, les proves de nanoindentació no han revelat
cap canvi significatiu en la duresa prop de la zona de processament làser.
Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) son dispositivos electroquímicos que transforman
directamente la energía química de un combustible en electricidad. Esta tecnología presenta muchas
ventajas frente a otras tecnologías tradicionales de generación de energía, ya que combina alta
eficiencia energética y térmica, bajas emisiones y flexibilidad de combustibles. Sin embargo, las SOFCs
aún necesitan mejorar el rendimiento electroquímico de sus celdas. En particular, los parámetros más
determinantes para el rendimiento de la celda son la energía de activación y el espesor del electrolito
de circona estabilizada con itria (YSZ), que normalmente es la más usada. Una estrategia eficaz para
mejorar el rendimiento de la celda es aumentar el área de contacto entre el electrolito y los electrodos
(ánodo y cátodo), ya que aumenta la superficie de triple fase (TPB), donde se llevan a cabo las
reacciones electroquímicas, promoviendo la transferencia de carga. Un buen enfoque es procesar una
elevada área específica en la superficie del electrolito utilizando el patrón de interferencia láser directa.
Se trata de una tecnología prometedora para la fabricación de patrones de superficie utilizando
fenómenos físicos de interferencia. Proporciona muchas ventajas, como la capacidad de modelar la
superficie con geometrías complejas sin contacto con las superficies.
El objetivo de este trabajo es estudiar el efecto del micropatrón láser sobre la microestructura y las
propiedades mecánicas de los electrolitos de circona estabilizada con itria al 3% y 8% molar para SOFC.
Para ello, este proyecto se divide en 2 bloques. En el primer bloque, se ha realizado el procesado y
modelado láser de electrolitos utilizando muestras 3YSZ y 8YSZ de 400 m de espesor como electrolitos
para SOFCs. Las muestras han sido fabricadas usando la técnica CIP, para ser tratadas usando el
mecanizado láser para obtener unos patrones alrededor de 10-20 μm de anchura y alrededor de 5-10
μm de altura de valle. Los parámetros de mecanizado por láser, como la velocidad y la frecuencia del
láser, se han optimizado para obtener una elevada área específica en la superficie del electrolito para
las SOFCs. En el segundo bloque, se han estudiado las posibles modificaciones del mecanizado láser
sobre la microestructura y propiedades mecánicas de ambos materiales mediante técnicas de
espectroscopia Raman, microscopía electrónica de barrido (SEM) y nanoindentación. Se han utilizado
SEM y espectroscopia Raman para determinar la formación de asperezas y microfisuras, y
transformaciones de fase en la superficie tratada con láser, respectivamente. Finalmente, los ensayos
de nanoindentación no han revelado cambios significativos en la dureza cerca de la zona procesada con láser.
Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) are electrochemical devices that directly transform the chemical energy
in a fuel into electricity. This technology presents a lot of advantages compared to other traditional
technologies of energy generation, because it combines high power efficiency and heat, low emissions,
and fuel flexibility. However, SOFCs still need to improve their cell electrochemical performance. In
particular, the most determining parameters for the cell performance are the activation energy and
thickness of the Yttria-stabilized Zirconia (YSZ) electrolyte, which is typically used. An effective strategy
to improve the cell performance is to increase the contact area between electrolyte and electrodes
(anode and cathode), as it increases the triple-phase boundary (TPB), where the electrochemical
reactions take place, promoting charge transfer. A good approach is to process a high specific area in
the electrolyte surface using Direct Laser Interference Patterning. It is a promising technology for the
manufacturing of period surface patterns using physical phenomena of interference. It provides a lot
of advantages like the ability of pattern the surface with complex geometries without contact with the
surfaces.
The objective of this work is to study the effect of laser micro-patterning on microstructure and
mechanical properties of zirconia stabilized with 3% and 8% molar yttria electrolytes for SOFCs. For this
purpose, this project is divided in 2 blocs. In the first bloc, the processing and laser patterning of
electrolytes has been carried out using 3YSZ and 8YSZ samples with 400 m thickness as electrolytes
for SOFCs. The samples have been manufactured using CIP technique, to be treated using laser
machining with around 10-20 μm width of laser pathway and around 5-10 μm height of valley. The
laser machining parameters, such as laser rate and frequency, have been optimized to obtain a high
specific area at the electrolyte surface for SOFCs. In the second bloc, the possible modifications of laser
patterning on the microstructure and mechanical properties in both materials has been studied using
Raman spectroscopy, Scanning Electronic Microscopy (SEM), and Nanoindentation techniques. SEM
and Raman spectroscopy have been used to determine the formation of roughness, and micro-cracks
and the phase transformations at the laser treated surface, respectively. Finally, Nanoindentation tests
have revealed no significant change in hardness near the laser processed zone.
