Sm2o3 katkılanmış zro2 tabanlı katı elektrolit bileşeninden oluşan katot destekli katı oksit yakıt hücrelerinin üretilmeleri
Production of sm2o3 doping zro2 solid electrolyte  
type solid oxide fuel cells
Yazar: YILDIZ TUT
Danışman: PROF. DR. ORHAN TÜRKOĞLU
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Tez çalışmasında; 0.4-LNF katot destekli ve Sm2O3 katkılanarak kararlı hale getirilmiş ZrO2 (fcc) tabanlı katı elektrolit sistemlerini içeren katı oksit yakıt hücrelerinin (SOFC) üretimleri araştırıldı. Sol-jel yöntemiyle Sm2O3'in ZrO2 içerisine katkılamaları yapılarak, kübik fazın oluşabildiği reaksiyon sıcaklıkları, süreleri ve stokiyometrik katkı konsantrasyonu aralıkları belirlendi. Spin coating yöntemiyle toz olarak üretilen bütün SOFC bileşenlerinin ince filmleri üretildi. Toz olarak üretilen katı elektrolitlerin ince filmleri, döner kaplama yöntemiyle ve etil selüloz tabanlı organik bağlayıcı kullanılarak üretildi. İnce tabakaların mikro yapısal, kristallografik özellikleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve X-ışınları kırınımı (XRD) yöntemleri ile araştırıldı. İnce film elektriksel iletkenlik özellikleri ise iki nokta a.c. empedans yöntemiyle incelenerek, SOFC uygulamalarında kullanılabilecek en uygun katı elektrolit sistemi belirlenmeye çalışıldı. Ölçümlerinden elde edilen verilerin değerlendirilmesi sonrasında, elektrolit sistemlerinin baskın olarak oksijen anyonik (O2-) elektriksel iletkenlik özelliğine sahip oldukları ve Arrhenius tipi elektriksel iletkenlik davranışı gösterdikleri sonucuna varıldı. İncelenen katı elektrolit sistemlerinde en yüksek iletkenlik düzeyi, % 11 mol Sm2O3 katkılanmış katı elektrolit sistemi için 850 ºC'de hava ortamında 0.013 ohm-1cm-1 ve 150 mL/dak akış hızına sahip O2 atmosferinde 0.0218 ohm-1cm-1 olarak ölçüldü. Elde edilen bulgular doğrultusunda 9 ve 11-SmSZ sistemlerinin katot destekli ve beş bileşenli SOFC uygulamalarında katı elektrolit olarak kullanılabilir özelliklere sahip oldukları öngörüldü. LNF katot|katot aktif (LNF+fcc-SmSZ)|katı elektrolit (9 ya da 11-SmSZ)|NiO-SmSZ anot aktif kompozit|NiO anot tabakalarından oluşan beş bileşenli yakıt hücrelerinin güç yoğunluğu ölçümleri yapıldı. En uygun gaz akış debileri, 1 cm2 'lik aktif yüzey alanına sahip yakıt hücresi için oksidant akış hızı 160 mL/dak, yakıt akış hızı ise 80 mL/dak olarak optimize edildi. Deneysel ölçümler sonucunda en yüksek performans değeri 11-SmSZ katı elektoliti ile üretilen yakıt pili için 850 oC'de 129.82 mW/cm2 olarak ölçüldü.
Anahtar Kelimeler:	Katı Oksit Yakıt Hücresi (SOFC), ZrO2 Tabanlı Katı Elektrolit, Perovskit Tipi Katot Elektrotu, Oksijen İyonik Elektriksel İletkenliği, Sol-Jel Yöntemi, Yakıt Pilleri Performansı ve Güç Yoğunluğu.

Abstract:
In the thesis study, the fabrication of different types of the LNF cathode supported solid oxide fuel cells which contain Sm2O3 doped ZrO2 (fcc) based solid electrolyte materials were investigated. ZrO2 (fcc) phase was stabilized with the doping of Sm2O3 by using the solgel techniques. Thin films of the powder components were produced with the spin coating method. The ethyl cellulose based solution was used as the organic binder for the thin layer fabrication. The micro structural and crystallographic aspects of the films were researched by the scanning electron microscope (SEM) and X-ray diffraction (XRD) methods. On the other hand, the electrical conductivities were measured with the two point a.c. impedance method. The conductivity measurements indicated that the fabricated thin films of electrolytes have an Arrhenius type electrical conductivity behavior. The produced electrolytes had also a dominant oxygen anionic (O2-) type electrical conduction. The highest levels of the electrical conductivities were observed for 11 % mole Sm2O3 doping system as 0.013 and 0.0218 ohm-1cm-1 (at 850 ºC) in air and O2 (100 mL/min. flow rate) atmospheres respectively According to experimental measurement results, the 9, 11-SmSZ solid electrolytes system can be used as a solid electrolyte for the productions SOFC systems which are cathode supported and five components denoted. The power density measurements of five-component and two types fuel cells which are signified as "LNF cathode|cathode active (LNF+fcc-SmSZ)|solid electrolyte (9 or 11-SmSZ)|NiO-SmSZ composite anode active|NiO anode" were measured by the electrochemical test station system. The most suitable gas flow rates were optimized as 160 mL/min (oxidant, O2) and 80 mL/min (fuel, H2) for 1 cm2 active surface area of fuel cell. All of the experimental results showed that the highest performance was measured as 129.82 mW/cm2 at 850 oC for 11-SmSZ solid electrolyte type fuel cell stack
Keywords:	Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), ZrO2 Based Solid Electrolyte, Perovskit Type Cathode, Oxygen Ionic Electrical Conductivity, Sol-Gel Techniques. Fuel Cell Performance and Power Density,