Protonik seramik yakıt hücreleri için BaZrO3 tabanlı katı elektrolitlerin geliştirilmesi
Development of BaZrO3 based solid electrolytes for protonic ceramic fuel cells
Yazar: BEKİR KAVİCİ
Danışman: DOÇ. DR. SERDAR YILMAZ
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Yakıt hücreleri içerisinde ticarileştirilmiş en köklü ve genel olarak kullanılan hücre tiplerinden bir tanesi, katı oksit yakıt hücresi teknolojisidir. Bu tip yakıt hücrelerinde, yüksek çalışma sıcaklıklarından dolayı (800–1000 °C) yakıt hücresi bağlantı elemanları için pahalı malzemeler, termal stres, uzun çalıştırma süreleri ve hücreyi çalışma sıcaklığına kadar ısıtmak için büyük enerji ihtiyaçları gibi dezavantajlar vardır. Son zamanlarda araştırmacılar, orta sıcaklıklarda (400–700 °C) çalışan protonik seramik yakıt hücrelerine yoğunlaşmıştır. Bu tip yakıt hücrelerinde, katkılanmış baryum zirkonat veya baryum serat esaslı, proton iletken (H+) seramik elektrolit kullanılır. Baryum zirkonatların yüksek sinterleme sıcaklığı ve düşük tane sınır iletkenliği gibi dezavantajları varken, baryum seratların düşük kimyasal kararlılık gibi bazı dezavantajları vardır. 
Bu tez çalışmasında BaZr(0,80-x-y)CexNdyY0,10Yb0,10O3-δ  (x,y:0, 0,05, 0,1 ve 0,15 mol) bileşiği üzerinde çalışıldı. İlk olarak tüm toz numuneler Pechini metodu kullanılarak sentezlendi. Sentez işlemi sırasında kullanılan bağlayıcıların kütle kaybını ve toz numunelerin termal kararlılığını belirlemek için termal gravimetrik ve diferansiyel termal analizler yapıldı. Tüm tozların kristal yapı analizleri için X-ışınları toz kırınımı tekniği kullanıldı. Üretilen tüm numunelerin perovskit kübik kristal yapıda olduğu tespit edildi. Sinterlenmiş elektrolitlerin mikroyapı görüntüleri için taramalı elektron mikroskobu kullanıldı. Tüm toz numunelerin iletkenlik karakterizasyonu değişen sıcaklık değerleri altında, elektrokimyasal empedans spektroskopisi ile yapıldı. Nd ve Ce katkılarının iletkenliği desteklediği gözlendi. En yüksek iletkenlik değerine sahip numune BaZr0,50Ce0,15Nd0,15Y0,10Yb0,10O3-δ (B16) olarak tespit edildi. Ayrıca literatürde yaygın olarak kullanılan ve hücre uygulamalarında iyi performans gösteren BaZr0,10Ce0,70Y0,10Yb0,10O3-δ (A4) numunesi de aynı şartlarda üretilerek B16 kodlu numune ile kıyaslandı. Bu karşılaştırma sonucunda B16 kodlu numunenin protonik seramik yakıt hücresi uygulamaları için uygun olduğu belirlendi. A4 numunesinde kullanılan yüksek miktardaki CeO2 azaltılarak üretilen yeni tip elektrolitlerin, hücre uygulamalarında CeO2 bileşiğinin oluşturduğu düşük kimyasal kararlılığı iyileştirmesi beklenmektedir. Bu çalışma ile düşük sıcaklıklarda çalışabilen ve kimyasal kararlılığı yüksek BaZrO3 tabanlı protonik seramik yakıt hücrelerinin zirkonya temelli katı oksit yakıt hücreleri ile yarışır özelliklere sahip olduğu incelenmiştir.

Abstract:
Solid oxide fuel cell technology is one of the most established and widely used cell type commercialized among fuel cells. These types of fuel cells have disadvantages due to their high operating temperatures (800–1000 °C), expensive materials for fuel cell connectors, thermal stress, long operating times, and large energy requirements to warm the cell to operating temperature. Recently, researchers have focused on protonic ceramic fuel cells operating at intermadiate temperatures (400–700 °C). They use a proton-conducting (H+) ceramic electrolyte based on doped barium zirconate or barium cerate. There are some disadvantages that are open to development; such as high sintering temperature and low grain boundary conductivity of barium zirconates, and low chemical stability of barium cerates. 
In this thesis, the compound BaZr(0.80-x-y)CexNdyY0.10Yb0.10O3-δ  (x,y:0, 0.05, 0.1 ve 0.15 mol)  was studied. First, all powder samples were synthesized using the Pechini method. Thermal gravimetric analysis and differential thermal analysis were performed to determine the mass loss of the binders used during the synthesis process and the thermal stability of the powder samples. X-ray powder diffraction technique was used for crystal structure analysis of all powders. It was determined that all the samples produced were in perovskite cubic crystal structure. Scanning electron microscopy was used for microstructure images of sintered electrolytes. Then, the conductivity characterization of all powder samples was performed by electrochemical impedance spectroscopy under varying temperature values. It was observed that Nd and Ce additives supported the conductivity. BaZr0.50Ce0.15Nd0.15Y0.10Yb0.10O3-δ (B16) was determined as the sample with the highest conductivity value.  In addition, BaZr0.10Ce0.70Y0.10Yb0.10O3-δ (A4) sample, which is widely used and shows good performance in fuel cell applications, was produced under the same conditions and compared with the B16 coded sample. As a result of this comparison, it was determined that the sample coded B16 is suitable for protonic ceramic fuel cell applications. It is expected that the new type of electrolytes produced by reducing the high amount of CeO2 used in the A4 sample will reduce the chemical instability caused by the CeO2 compound in cell applications. As a result of this research, it was investigated that BaZrO3-based protonic ceramic fuel cells, which can operate at low temperatures and have high chemical stability, have competitive properties with zirconia-based solid oxide fuel cells.