Tek hücreli erimiş karbonat yakıt hücresi (EKYH) için matriks geliştirilmesi ve sistem tasarımı
Development of matrix and sytem design for single molten carbonate fuel cell
Yazar: SELİM GEMİCİ
Danışman: PROF. DR. GÜLAY ÖZKAN
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında; elektrolit, taşıyıcı polimerik veya seramik matriks ile iyon akışını sağlayan anot ve katot elektrotlarla birlikte hücreye yakıt ve oksitleyiciyi dağıtan bipolar plakalardan oluşan Erimiş Karbonat Yakıt Hücresi silindirik geometride literatürden farklı kanal tasarımı ile imalatı yapılmıştır.  
Çalışma dört aşamada gerçekleştirilmiştir; İlk aşamada CATIA programı kullanılarak EKYH 'nin silindirik geometride (5-7,5 cm aktif bölge çapında) salyangoz kanallı tasarımı ve paslanmaz çelikten (S316) imalatı yapılmıştır.
İkinci aşamada; anot, katot ve elektrolit sentezi ile elde edilen ham şeritlerin döküm yöntemiyle deneysel ölçekte üretimleri gerçekleştirilerek karakterizasyonları yapılmıştır. Ham şeritlerin hazırlanmasında; çözücü, bağlayıcı, dağıtıcı, plastikleştirici oran ve miktarlarını değiştirerek döküm çamurunun viskozite, kayma gerilimi, tiksotropi ölçülmüş ve akış özellikleri belirlenmiştir. Şeritler kurutulduktan sonra mekanik testler ve gözeneklilik gibi fiziksel özellikleri belirlenmiştir. Nikel Anot için % 32 ile % 53 oranları arasında karışımlar kullanılarak en iyi oran % 53 olarak belirlendiğinde bağlayıcı ile plastikleştirici oranı 2:1 olarak kullanılmıştır. Katot karışımı için ise nikel oksit % 32 ile % 53 arasında karışımlar kullanılarak en iyi oran % 52 olarak belirlendiğinde bağlayıcı ile plastikleştirici 3:1 oranında kullanılmıştır. Elektrolit için ise LiAlO2 için % 22 ile % 24 arasında karışımlar kullanılarak en iyi oran % 24 olarak belirlenmiştir. Sentezlenen ham şeritler kalsinasyon ve sinterleme işlemine tabi tutulmuştur.
Çalışmanın üçüncü aşamasında ise gaz akış oranlarının, hücre potansiyeli üzerine olan etkileri incelenmiştir. 2 mm kalınlığındaki elektrolit ile 700 oC'de 42,8 ml/dk hava akış hızı, 27,2 ml/dk hidrojen gaz akış hızı ile yaklaşık 0,4 V değerinde ulaşılmıştır. Elektrolit kalınlığının 1 mm kullanıldığı performans deneyinde 700 oC'de 0,65 V gerilim değerleri ölçülmüştür. 
 Son olarak çalışma koşullarının yakıt hücresi performansı üzerine etkisi MATLAB ortamında EKYH modeli oluşturularak incelenmiştir.

Abstract:
In this thesis; The raw strip preparation, fuel cell design, production and performance tests were performed for the Molten Carbonate Fuel Cell, consisting of electrolyte, carrier polymeric or ceramic matrix and anode and cathode electrodes which provide ion flow, and bipolar plates which distribute fuel and oxidizer to the cell. 
Experiments were performed in four stages.In the first stage of the experimental work, the CATIA program was used to design the MCFC with a cylindrical geometry (around 5-7.5 cm active zone), snail channel and stainless steel (S316)designproduction has been realized.
In the second stage, experimental production of anode, cathode and electrolyte raw tapes were produced and charaterized by casting methode for anode, cathode and electrolyte materials used in EKYH systems. In the preparation of raw strips; viscosity, shear stress, thixotropy of casting slurry were measured and flow properties were determined by changing the ratio and amounts of solvent, binder, dispersant and plasticizer. After strips were prepared, their physical characteristics such as mechanical strength and porosity were evaluated. For the anode mixture the best ratio is determined as 53 %  (Nickel) while using the mixtures of 32 to 53 % of nickel. For the cathode mixture, the best ratio is determined 52 % (Nickel Oxide) while using the mixture of 35 to 52% for nickel oxide. For the matrix, the best ratio is determined as 24 % (LiAlO2) while using the mixture of 22 to 24 % for LiAlO2.
In the third phase, the gas flow rate have cell potentia lthe effects on them have been examined. Electrical current and potential measurements were made. With an electrolyte of 2 mm thickness, an air flow rate of 42.8 ml/min and a hydrogen gas flow rate of 27.2 ml/min at 700 oC was reached to 0.4 V. In the performance test where electrolyte thickness was 1 mm, voltage values of 0.65 V were measured at 700 oC.
Finally, an MCFC model was created and detailed in the Matlab environment in order to elaborate the effect of the fuel cell performance.