Katı oksit yakıt hücreleri için ce1-x Mx O2-(x/2)  esaslı     elektrolitlerin    hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of ce1-x Mx O2-(x/2) based electrolytes for solid oxide fuel cells
Yazar: GÖKNUR DÖNMEZ
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET ALİ FARUK ÖKSÜZÖMER
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Uygun fosil yakıt rezervlerinin azalmasıyla oluşan endişeler ile küresel ısınma, kirletici gazların emisyonu gibi çevresel sorunların artışına bağlı olarak elektrokimyasal dönüştürücüler araştırma konusu olarak ilgi çekmiştir. Temiz, etkin ve çevre dostu yöntemlerle enerji üretimi, mühendislerin ve bilim insanlarının en önemli araştırma konularından  biridir. Yakıt hücreleri yakıtın kimyasal enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştürürler, etkin sistemlerdir ve yanma gerekmediği için çevreyi kirletmezler. Ayrıca yakıt hücreleri ticari olarak elektrik enerjisi üretimi uygulamalarında kullanılmak üzere gereken boyutlarda geliştirilme potansiyeline sahiptir. Yakıt hücre sistemleri, taşınabilir elektronik cihazlardan büyük güç tesislerine kadar pek çok uygulamada ihtiyaçları karşılamaya uygun sistemlerdir. Yakıt hücre kullanımı için gelecek vadeden uygulamalar taşınabilir güç, ulaşım, bina kojenerasyonu ve dağıtılabilir güç sistemleri gibi uygulamaları kapsamaktadır.
Katı oksit yakıt hücreleri yüksek enerji etkinliği, platin gibi pahalı elektrokatalizörlerin kullanımı gerekmeksizin elektrot (anot ve katot) kinetiklerinin hızlı olması, yakıttaki safsızlıklara direnç göstermesi ve diğer yakıt hücre çeşitlerinde zehir etkisi göstermesine  rağmen CO, CH4 ve diğer karbon esaslı yakıtların kullanılabilmesi sebebiyle özel olarak ilgi çekmiştir. Araştırmaların çoğu yitriya stabilize zirkonya (YSZ) elektrolitler, lantan veya kalsiyum katkılı stronsiyum manganit (LSM) katotlar ve Ni-YSZ sermet yapılı anotlar gibi katı oksit yakıt hücresi materyallerinin geliştirilmesi üzerinde yoğunlaşmıştır. YSZ elektrolitler yeterli iyonik iletkenliğe ulaşılabilmesi için yüksek operasyon sıcaklığı (~1000 ºC) gerektirirler, bu da kullanılacak elektrot, bağlantı elemanı ve yapı materyallerinin seçiminde kısıtlamalara yol açar. Sonuçta, katı oksit yakıt hücrelerinin maliyeti, ticarileşmelerini önleyen en önemli faktör haline gelir. Bu sorunları ortadan kaldırmak için orta sıcaklıklarda yüksek iyonik iletkenlik gösteren elektrolitlere gerek duyulmaktadır. Son araştırmalarla orta sıcaklıklarda işletilen katı oksit yakıt hücrelerinin geliştirilmesi için çeşitli nadir toprak metali katkılı seryum oksitlerin elektrolit malzemesi olarak kullanılabileceği ortaya çıkmıştır.
 Bu çalışmanın amacı orta sıcaklıkta işletilen katı oksit yakıt hücreleri için yoğun yapılı, iyonik iletkenliği yüksek metal oksit katkılı seryum oksit esaslı elektrolitlerin poliol yöntemi kullanılarak hazırlanması ve TG/DTA, XRD, SEM, EIS, EDS ile karakterize  edilmesidir. EIS ile yapılan iyonik iletkenlik analizi sonucunda en yüksek iyonik iletkenlik değerini veren malzemenin SDC20 olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
The development of electrochemical converters has attracted research interest due to an increasing concern on the depletion of available fossil fuel reserves and environmental issues such as global warming and emission of pollutant gases. The generation of energy by clean, efficient and environmental-friendly means is now one of the major challenges for engineers and scientists. Fuel cells convert chemical energy of a fuel gas directly into electrical energy, and are efficient and environmentally clean, since no combustion is required. Moreover, fuel cells have the potential for development to a sufficient size for applications for commercial electricity generation. Fuel cell systems are available to meet the needs of applications ranging from portable electronic devices to utility power plants. Promising applications for fuel cells include portable power, transportation, building cogeneration, and distributed power for utilities.
Solid oxide fuel cells have received special attention because of their higher energy efficiency, rapid electrode kinetics without using expensive electrocatalysts such as Pt, relative resistance to impurities in the fuel and the possibility of processing CO, CH4 and other carbon based fuels. Most of the research efforts have focused on the development of solid oxide fuel cell materials such as yttria stabilized zirconia (YSZ) electrolytes, lanthanum or calcium doped strontium manganite (LSM) cathodes and Ni-YSZ cermet anodes. YSZ electrolytes require high operation temperatures (~1000 °C) in order to achieve sufficient ionic conductivity, placing large restrictions to candidate electrode, interconnect and housing materials. As a result, the cost of solid oxide fuel cell systems has become an important factor preventing their commercialization. To overcome these problems, electrolytes which have high ionic conductivity at intermediate temperatures are needed. According to the recent researchs, it was shown that a variety of rare earth metal doped cerium oxides can be used as electrolyte materials in order to develop solid oxide fuel cells operating in intermediate temperatures.
The aim of this work is to prepare metal oxide doped cerium oxide based electrolytes with dense structure and high ionic conductivity for intermediate temperature-solid oxide fuel cells by using polyol method and characterize them with TG/DTA, XRD, SEM, EIS, EDS. As a consequence of ionic conductivity analysis with EIS, it was obtained that the material which indicated the highest ionic conductivity value was SDC20.