Katı oksit yakıt hücre elektrolitlerinin mikroemülsiyon yöntemi ile nano boyutta hazırlanmaları
The preperation of nano sized solid oxide fuel cell electrolytes by microemulsion method
Yazar: SİBEL VATANSEVER
Danışman: PROF. MEHMET ALİ GÜRKAYNAK
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2007
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Elektrolitler = Electrolytes ; Hidrojen enerjisi = Hydrogen energy ; Mikroemülsiyon = Microemulsion ; Yakıt hücreleri = Fuel cells ; Zirkonyum oksit = Zirconium oxide

Özet:
Dünyada fosil enerji kaynaklarının 50 yıllık ömürlerinin kaldığı öngörülmekte, buna karşılık endüstrileşmenin giderek artması, sürdürülebilir alternatif yeni enerji kaynaklarını gerekli kılmaktadır. Gelecekte dünyanın enerji ihtiyacının büyük bir kısmının hidrojen enerjisi teknolojileriyle karşılanması beklenmektedir. Yakıt hücreleri, verimli, ekonomik, sessiz ve çevre ile uyumlu enerji (hidrojen enerjisi) üretiminde kullanılan, gelecek kuşaklarda çok daha yaygın olarak kullanılacağı tahmin edilen önemli yaklaşımlardan biridir. Yakıt hücrelerinde, gazlardaki kimyasal enerji, düşük enerjili minimum hareketli parçalar içeren ve hava kirliliğine sebep olmayan elektrokimyasal bir proseste elektrik enerjisine dönüştürülür. Yakıt hücrelerinin etkin kullanımı ve yaygınlaşması, başta elektrolit olmak üzere anot/katot kombinasyonlarının geliştirilmesi ile de yakından ilgilidir. Ülkemizin bu teknolojilerden uzak kalamayacağı gerçeği göz önüne alındığında, ulusal yakıt hücresi araştırmalarının bu teknolojiyi oluşturan ana malzemeler üzerinde yoğunlaşması kaçınılmazdır. Mikroemülsiyon, yağ ile suyun birbiri içerisinde mikro boyutlarda dağılmaları neticesinde oluşan emülsiyonlarıdır. Yakıt hücrelerindeki elektrolitin hazırlanış yöntemi, parçacıkların fiziksel özelliklerini, bu fiziksel özellikleri de yakıt hücrelerinin etkinliğini belirlediğinden dolayı, hazırlanma yönteminin önem kazandığı gözlemlenmiştir. Bu çalışmada, katı oksit yakıt hücre (SOFC) nano boyutlu elektrolitlerinin hazırlanması ve bununla beraber elektrolitlerin mikro yapısal ve iyonik iletkenlikleri gibi özelliklerini geliştirecek farklı maddelerin ilavesi ile de yakıt hücrelerinin daha etkin hale getirilmesine çalışılmıştır. Çalışmada temel olarak; mikroemülsiyon yöntemi ile katı yakıt hücre elektrolitlerinin nanoboyutta hazırlanması ve Ce, Sc gibi metallerin yapıya kazandırılmasına çalışmaktır. Yakıt hücrelerinde kullanılan zirkonyum oksit esaslı elektrolitlerin, nano boyutta hazırlanmasında günümüze dek yapılan çalışmalar incelenmiştir. Bunlardan uniform parçacık eldesi ve maliyet açısından en avantajlı yöntem olarak, mikroemulsiyon yöntemi seçilmiştir. Nano boyuta indirgeyebilmek ve kıyas yapabilmek açısından Pechini yöntemi de denenmiştir. Elektrolitlerin nano boyuta indirgenmek istenmesinin temelinde, uniform yapı eldesi, iyonik iletkenliği, termal kararlılık, şok dayanımı, korozyon direnci, kimyasal aktivite, temas yüzeyini arttırması, sinterleme özelliklerini iyileştirmesi gibi uygulama alanlarında kolaylık ve etkinlik sağlamasına dayanmaktadır. Yapısında oluşan oksijen boşluklarıyla iyonik iletkenliğinin yüksekliği, elektrik iletkenliğinin ihmal edilebilir düzeyde ve kolay işlenebilir olması açısından Zr temel element olarak seçilmiştir. Mikroemülsiyon yöntemi ile zirkonyum oksit esaslı elektrolit hazırlanmsında, yöntemin optimal koşulların literatür ışığında belirlenerek nano boyulu elektrolit hazırlanmasına ve XRD ,TEM, SEM analizleri ile elektrolit yapılarının aydınlatılmasına çalışılacaktır.

Abstract:
As lifetime of fosil energy resources only 50 years more could be anticipated. Despite of this, industry is expanding faster and necessity of alternative energy becomes more important day by day. Hydrogen energy is estimated to compansate most of the energy requirements in the future. Fuel cells are thought to be so common because of including productive, economic, silent, environment protective and adaptable to hydrogen production devices. Chemical energy of fuel gases can be directly converted to electrical energy by low cost and non-air polluted pieces used in fuel cells. The development of fuel cells are related to producing more effective electrolytes or anode / cathode combinations. If our country is considered not to be so far from this new technology, all researches must be intensify on fuel cell and its main materials. Microemulsion is water ? oil emulsion in micro sizes. The preperation method affects physical properties of electrolyte which are direclty related with effectiveness of fuel cell. While preparation doping new chemical substances to electrolyte changes chemical properties of main material such as ionic strenght, electrical conductivity etc. In this work, it was tried to prepare nano sized electrolytes by microemulsion method and develope chemical properties by doping chemical substances such as Ce, Sc and some other metals. The preperation methods of zirconia based electrolytes were examined and microemulsion method was selected as method because of efficiency and low cost from all preperation methods. For comparison the results also Pechini method is considered as sub-method. As an aim of preperation nano-sized electrolytes, obtaining uniform structure, thermal stability, high corrosion resistance and chemical activity, enhancing contact surfaces, good sintering behaviour and applicability was estimated. Zirconia was chosen as the main material of electrolyte cause of high ionic (including structural oxygen gaps) and low electrical conductivity. Optimal parameters were tajen from literature and applied to prepare nano sized ZrO2 and the electrolyte characterization studies performed by XRD, TEM, SEM analysis.