Şerit döküm yöntemi ile yüksek güç yoğunluğuna sahip mikro-tüp katı oksit yakıt pili (KOYP) geliştirilmesi
Development of microtubular solid oxide fuel cell (SOFC) with high power density via tape casting method
Yazar: SEZER ÖNBİLGİN
Danışman: PROF. DR. BORA TİMURKUTLUK
Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez kapsamında elektrolit/elektrot arayüzey alanı artırılmış tij tipi mikro-tüp olarak adlandırılan yeni bir katı oksit yakıt pili geometrisinin üretimi başarı ile yapılmıştır. Tij tipi mikro-tüp destekler, geleneksel olarak kullanılan yöntemlerin aksine şerit döküm anot destek şeridinin dişli bir çubuk üzerine sarılması ve ardından izostatik presleme işlemi ile oluşturulmuştur. Bu desteklerin üzerine daldırma kaplama yöntemi kullanılarak diğer katmanların kaplanması ile tij tipi mikro-tüp hücreler üretilmiştir. Karşılaştırma amacıyla geleneksel mikro-tüp anot destek ve hücrelerin de benzer şekilde üretilmesinin ardından mikroyapısal, mekanik, elektrokimyasal performans ve empedans analizleri gerçekleştirilmiştir. Anot destek şerit uzunluğu ve kalınlığı ile diş adımı ve derinliği parametrik olarak çalışılarak üretilebilirlik ve performans bazlı optimizasyon çalışmaları yürütülmüştür. 300 µm kalınlıkta dökülen anot destek şeridinin; 0,8 mm diş adımı ve 0,4 mm diş derinliğinde üretilen tij üzerine 12 cm sarım uzunluğunda sarılması ile elde edilen tij tipi mikro-tüp hücreden 800 ºC çalışma sıcaklığında dıştan anot akım toplama stratejisi kullanılarak 0,6 W/cm2'lik en yüksek tepe güç yoğunluğu elde edilmiştir. Bu performansın benzer yöntemlerle üretilen klasik mikro-tüp hücresine kıyasla ~%92 daha yüksek olduğu belirlenmiş ve önemli bir performans iyileşmesi elde edilmiştir.

Abstract:
In this thesis, a novel solid oxide fuel cell geometry called bolt-microtubular having increased electrolyte/electrode interfacial area is successfully fabricated. Unlike traditional methods, the bolt-microtubular anode supports are formed by winding a tape cast anode support strip around a threaded rod followed by isostatic pressing. Bolt-microtubular cells are then produced by coating other cell layers on these supports using dip coating method. After the fabrication of conventional microtubular anode supports and cells via similar methods for comparison, microstructural, mechanical, electrochemical performance and impedance analyses are performed. Anode support tape length and thickness, thread pitch and depth of the rod are parametrically studied, and the optimization studies based on manufacturability and performance are carried out. At an operating temperature of 800 ºC using the external anode current collection strategy, the highest peak power density of 0.6 W/cm2 is obtained from the bolt-microtubular cell obtained by wrapping 12 cm anode support strip tape cast at 300 µm blade gap around the threaded rod produced with a thread pitch of 0.8 mm and a thread depth of 0.4 mm. This performance is found to be ~92% higher than that of the conventional microtubular cell produced by similar methods, indicating a significant performance improvement.