Katı oksit yakıt pillerinde elektrot/elektolit arayüzey dinamiğinin incelenmesi
Investigation of electrode/electrolyte interface dynamics of solid oxide fuel cells
Yazar: SELAHATTİN ÇELİK
Danışman: PROF. DR. BEYCAN İBRAHİMOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Katı oksit yakıt pili (KOYP) çalışması sırasında hücre içinde meydana gelen homojen olmayan elektrokimyasal reaksiyonlar ve sınır koşulları hücre içerisinde sıcaklık farklılıklarının oluşmasına yol açmaktadır. Elektrolit ve elektrot malzemelerinin farklı ısıl genleşme katsayıları nedeniyle sıcaklık gradyenti durumunda gerilmeler oluşmakta ve hücre içerisinde ayrışma (delaminasyon) ve çatlaklar meydana gelmektedir. Bu çalışmada operasyon parametrelerinin sıcaklık dağılımına etkisi deneysel olarak araştırılmıştır.
Bu çalışmada endüstriyel boyutta bir KOYP hücresinde meydana gelen sıcaklık dağılımı ve sıcaklığa bağlı performans değişimi deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Hücre içinde sıcaklık gradyentine neden olan en önemli etkinin akım yoğunluğu olduğu tespit edilmiştir. Sayısal sonuçlarla deneysel sonuçların uyum içinde olduğu anlaşılmıştır.
Yapılan deneyler hücre performansının çalışma sıcaklığına bağlı olarak zamanla düştüğünü göstermiştir. Hücre içinde performans düşüşünün temellerini araştırmak için elektrolit/anot ara yüzeyi, yeterince üçlü faz bölgesi ve gözenek içeren 5x5 mikrometre boyutlarındaki bir hücre kesintinde meydana gelen ısı transferi, elektrokimyasal reaksiyonlar ve gerilmeler sayısal olarak incelenmiştir. Sayısal analizde kullanılan mikro geometri gerçek elektrot geometrisini temsil eden yapı Dream 3D programı ile üretilmiştir.
Enerji ve şarj korunum denklemleri gerilme ve elektrokimyasal reaksiyonları temsil eden denklemler COMSOL Akışkanlar Mekaniği yazılımı ile çözülmüştür. 2 boyutlu sayısal model deneysel verilerle yeterince örtüşmediği için sayısal çalışma 3 boyutlu gerçekleştirilmiştir. Sayısal sonuçlar elektrolit/anot arayüzeyinde ve üçlü faz sınırlarında ısıl genleşme farkından dolayı gerilmeler oluştuğu ve sıcaklık arttıkça gerilmelerinde arttığını ve kopma riski oluşturduğunu göstermiştir. Gerilmelerin elektrot yapısı içinde elektrolit malzemesinin ve gözeneklilik miktarının arttırılması ile azaltılabileceği tespit edilmiştir.

Abstract:
During the solid oxide fuel cell (SOFC) operation, the non-homogenous reactions and boundary conditions cause temperature gradient in the cell. The stress is generated due to the temperature gradient as a result of the thermal expansion mismatch of the electrolyte and electrodes and delamination and crack occur. In this study, the effects of the SOFC operation parameters on the temperature distribution are investigated experimentally.
In this study, the temperature distribution and the corresponding performance variation within the SOFC with industrial sizes are investigated both experimentally and numerically. The most effective parameter that creates a temperature gradient in the cell is found to be current density. The numerical results show good agreement with the experimental results. 
The experiments show that the cell performance degrades with the operation time depending on the operation temperature. In order to examine the main reasons for the degradation of the cell performance, heat transfer, electrochemical reactions and stresses are numerically investigated for electrolyte/anode interfaces within a small volume of the cell with 5 µm x 5 µm captured from the cell. The micro-geometry used in the numerical analysis, which mimics the real electrode structure, is generated via Dream 3D software.  
The governing equations representing the conservation of energy and charge, mechanics and electrochemical reactions are numerically solved by COMSOL software. Since 2D model does not agree well with the experimental results, 3D geometry is used. The numerical results reveal that stress is generated at the electrolyte/anode interface and triple phase boundary edges due to the thermal expansion difference and the stress is found to increase with the temperature up to material limits. The stress is found to decrease with the increasing the electrolyte content in the anode and the porosity of the anode.