Nd2O3 katkılanmış ZrO2 tabanlı katı elektrolit bileşeninden oluşan katı oksit yakıt hücrelerinin üretilmesi ve karakterizasyonları
Production and characterizations of Nd2O3 doping ZrO2 solid elektrolyte type solid oxide fuel cells
Yazar: SEVGİ ATA
Danışman: PROF. DR. ORHAN TÜRKOĞLU
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Tez çalışmasında; Nd2O3 katkılanarak kararlı hale gelmiş ZrO2 (fcc-NdSZ) tipi katı elektrolitlerin üretilmesi ve katı oksit yakıt hücresi (SOFC) uygulamaları için özelliklerinin iyileştirilmesi araştırılmıştır. Bu amaç doğrultusunda, sol-jel yöntemiyle ZrO2 içerisine Nd2O3 bileşiği safsızlık olarak katkılanarak, fcc kristal örgü tipine sahip ZrO2 tipi katı elektrolitlerin faz kararlılıkları sağlandı. 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 (15, 17, 19 ve 21-NdSZ) 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, % 19 mol Nd2O3 katkılanmış katı elektrolit sistemi için 850 ºC'de hava ortamında 0.008 ohm-1cm-1 ve 150 mL/dak akış hızına sahip O2 atmosferinde 0.018 ohm-1cm-1 olarak ölçüldü. Elde edilen bulgular doğrultusunda 19 ve 21-NdSZ sistemlerinin katot destekli ve beş bileşenli SOFC uygulamalarında katı elektrolit olarak kullanılabilir özelliklere sahip oldukları öngörüldü. LNF katot|katot aktif (LNF+fcc-NdSZ)|katı elektrolit (19 ya da 21-NdSZ)|NiO-NdSZ 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 19-NdSZ katı elektoliti ile üretilen yakıt pili için 850 oC'de 148.4 mW/cm2 olarak ölçüldü.

Abstract:
In the thesis study, the production and improving of ZrO2 (fcc-NdSZ) type solid electrolyte systems were investigated for the solid oxide fuel cell applications. In this way, the impurity substance of Nd2O3 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 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 (15, 17, 19 ve 21-NdSZ) had also a dominant oxygen anionic (O2-) type electrical conduction. The highest levels of the electrical conductivities were observed for 19 % mole Nd2O3 doping system as 0.008 and 0.018 ohm-1cm-1 (at 850 ºC) in air and O2 (150 mL/min. flow rate) atmospheres, respectively. According to experimental measurement results, the 19, 21-NdSZ 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-NdSZ)|solid electrolyte (19 or 21-NdSZ)|NiO-NdSZ 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 148.4 mW/cm2 at 850 oC for 19-NdSZ solid electrolyte type fuel cell stack.