Katı oksit yakıt hücresi uygulamalarında kullanılabilir özellikli Gd2O3 katkılanmış ZrO2 tabanlı katı elektrolitlerin üretilmesi ve karakterizasyonları
Synthesis and charactersation of Gd2O3 doped ZrO2 based solid electrolytes for solid oxide fuel cell applications
Yazar: ÜMRAN DURMUŞ
Danışman: PROF. DR. ORHAN TÜRKOĞLU
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Tez çalışmasında Gd2O3 katkılanarak stabilize edilmiş ZrO2  (GSZ)  tipi katı elektrolit sistemlerinin üretilmesi ve katı oksit yakıt hücresi (SOFC) uygulamaları için özelliklerinin iyileştirilmesi araştırılmıştır. Bu amaç doğrultusunda, sol-jel yöntemiyle ZrO2 içerisine Gd2O3 bileşiği safsızlık olarak katkılanarak, fcc kristal örgü tipine sahip ZrO2 tipi katı elektrolitlerin faz stabilizasyonları sağlandı. Toz olarak üretilen katı elektrolitlerin ince filmleri, döner kaplama yöntemiyle ve etil selüloz tabanlı organik bağlayıcı sistemi kullanılarak üretildi. İnce tabakaların mikro yapısal, kristallografik özellikleri SEM ve 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, % 10 mol Gd2O3 katkılanmış katı elektrolit sistemi için 850 ºC'de hava ortamı için 0.010 ohm-1cm-1 ve 100 mL/dk akış hızına sahip O2 atmosferi için 0.015 ohm-1cm-1 olarak gözlendi. Elde edilen bulgular doğrultusunda 10-GSZ sisteminin katot destekli ve dört bileşenli veya beş bileşenli SOFC uygulamalarında katı elektrolit olarak kullanılabilir özelliklere sahip olduğu öngörüldü.

Abstract:
In the thesis study, the production and improving of ZrO2 (GSZ) type solid electrolyte systems were investigated for the solid oxide fuel cell applications. In this way, the impurity substance of Gd2O3 was doped into ZrO2 matrix by the using of sol-gel reaction technique. After many experimental treatments, the powder and fcc type ZrO2 solid electrolytes were stabilized. The thin films of electrolytes were produced by the spin coating method. The ethyl cellulose based solution was used as the organic binder system for the thin layer fabrication. The micro structural and crystallographic aspects of the films were researched by the SEM and 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 10 % mole Gd2O3 doping system as 0.010 and 0.015 ohm-1cm-1 (at 850 ºC) in air and O2 (100 mL/min. flow rate) atmospheres respectively. According to experimental measurement results, it was supposed the      10-GSZ solid electrolyte system has correct properties and can be used for the productions SOFC system which are cathode supported and four or five components denoted.