Δ-Bi2O3 katı elektrolit içeren La(1−x)SrxCuO2.5 katot destekli katı oksit yakıt hücrelerinin üretilmesi ve karakterizasyonu
The production and characterization of La(1−x)SrxCuO2.5 cathode supported solid oxide fuel cells contained δ-Bi2O3 solid electrolyte
Yazar: SEDA ÖZKUZUGÜDENLİ
Danışman: PROF. DR. ORHAN TÜRKOĞLU
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Tez çalışmasında; katot destekli ve Yb2O3 katkılanarak stabilize edilmiş -Bi2O3 (fcc) katı elektrolit sistemini içeren katı oksit yakıt pillerinin (KOYP) üretim ve karakterizasyonu araştırıldı. Yüksek sıcaklık kararlı fazı olan -Bi2O3 fazı; -Bi2O3 içerisine katı hal reaksiyonları ile Yb2O3 bileşiğinin, -Bi2O3 içerisine katkılanması sonucunda kararlı hale getirildi. Dört nokta d.c. iletkenlik ölçüm sonuçları, üretilen - Bi2O3 tipi malzemelerin oksijen iyonik tipi elektriksel iletkenlik davranışına sahip olduklarını gösterdi. Üretimi gerçekleştirilen yakıt hücrelerinde, mikro yapı ve elektriksel iletkenlik özellikleri iyileştirilmiş La(1−x)SrxCuO2.5 (x=0.25, LSCu) perovskit malzemesi katot elektrotu, 70% Ag2O, 30% -Bi2O3 bileşenlerinden oluşan katı karışımı ise anot elektrotu olarak kullanıldı. Toz olarak üretilen bütün yakıt hücresi bileşenlerinin ince filmleri ve tek hücreli KOYP sistemlerinin (hücre yığını) üretimleri spin coating yöntemiyle gerçekleştirildi. İnce film ve yakıt hücreleri,  XRD, SEM ve dört nokta d.c. iletkenlik yöntemi ile karakterize edilmiştir. Mikro yapısal ve elektriksel iletkenlikleri optimize edilmiş tabakaların; x=0.25 LSCu katot substratı yüzeyine sırasıyla katot aktif, katı elektrolit ve anot kaplama karışımlarının kaplamaları yapıldı. Tek hücreli katı oksit yakıt hücrelerinin güç yoğunluğu ölçümlerinde, O2 ve H2 gazları sırasıyla oksitleyici ve yakıt gazları olarak kullanıldı. Güç yoğunluğu ölçüm sonuçlarına göre; katı oksit yakıt pillerinin en uygun tabaka kalınlıklarının; katı elektrolit, anot, katot ve katot aktif tabakaları için sırasıyla ;40-50 m, 50-60 m, 700-800 m ve 20-30 m olduğu belirlendi. Üretilen yakıt pili sistemlerinde, en yüksek performans değerinin; "Katot (LSCu)Katot Aktif (%16 mol -YSB+LSCu) Katı Elektrolit (%16 mol -YSB)Anot (Hacimsel Oran:%70 Ag2O:%30 -YSB(%16 mol)+Aktif karbon" hücresi için 700 oC'de 37.4 mW/cm2  olduğu gözlendi.

Anahtar Kelimeler: Katı Oksit Yakıt Pilleri (KOYP), -Bi2O3 Tabanlı Katı Elektrolit, Ag2O Kompozit Anot Elektrodu, Yakıt Pili Güç Yoğunluğu, LSCu Perovskit Tipi Katot Elektrodu

Abstract:
In the study of thesis, the production and characterization of the cathode supported solid oxide fuel cells (SOFC's) which were combinated Yb2O3 doped -Bi2O3 (fcc) type solid electrolyte were investigated. High temperature stable phase of -Bi2O3 material was stabilized with the doping of  Yb2O3 into -Bi2O3 matrix via the solid state reaction techniques. The four probe d.c. electrical conductivity measurements indicated that the produced -Bi2O3 type materials had an oxide ionic type electrical conductivity behavior. The improved of micro structural and electrical conductivity properties of the perovskite type La(1−x)SrxCuO2.5 (x=0.25, LSCu) material and the composite of  70% Ag2O, 30% -Bi2O3 solid mixture were used as the cathode and anode electrodes respectively for the produced fuel cells. Thin films of the powder components of fuel cell and single SOFC (stack) systems were produced by the spin coating method. XRD, SEM and four probe d.c. electrical conductivity methods were used for the characterizations of thin films and stack of fuel cells. The improved micro structural and electrical conductivity properties of the components were coated on the substrate of the x=0,25 LSCu cathode with the order of cathode active, solid electrolyte and anode electrode respectively. The power density of single fuel cells was measured by using O2 and H2 as the oxidant gas and fuel gas respectively. According to the power density measurements results; the ideal thicknesses of the solid oxide fuel cell's components were determinated as; 40-50 m, 50-60 m, 700-800 m and 20-30 m for solid electrolyte, anode, cathode and cathode active sheets respectively. The highest power density was observed for "Cathode (LSCu)Cathode Active (% 16 mol -YSB+LSCu)  Solid Electrolyte (%16 mol -YSB)Anode (Volumetric Ratio: %70Ag2O+%30-YSB  %16 mol)+ Active carbon"  fuel cell system as 37.4 mW/cm2 at 700 oC.

Keywords: Solid Oxide Fuel Cells (SOFC), -Bi2O3 Based Solid Electrolyte, Ag2O Composite Anode, Power Density of Fuel Cell, LSCu Perovskit Type Cathode Electrode