Sol-jel yöntemiyle zro2 tabanlı katı elektrolit sistemlerinin sentezi, karakterizasyonu ve katı oksit yakıt hücresi uygulaması
Synthesis, characterization and solid oxide fuel cell application of ZrO2 based solid electrolyte by sol-gel technique
Yazar: ESRA YILDIZ
Danışman: PROF. DR. ORHAN TÜRKOĞLU ; YRD. DOÇ. DR. ERTUĞRUL GAZİ SAĞLAM
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Tez çalışmasında; 0.4-LNF katot destekli ve Yb2O3 katkılanarak kararlı hale getirilmiş ZrO2 (fcc) tabanlı katı elektrolit sistemlerini içeren katı oksit yakıt hücrelerinin (SOFC) üretimleri ve karakterizasyonları araştırıldı. Sol-jel yöntemiyle Yb2O3'in ZrO2 içerisine katkılamaları yapılarak, kübik fazın oluşabildiği reaksiyon sıcaklıkları, süreleri ve stokiyometrik katkı konsantrasyonu aralıkları belirlendi. ZrO2 (fcc) toz katı elektrolitlerinden üretilen ince filmlerinin, empedans ölçümleri sonucunda, fazların oksijen iyonik iletkenlik özelliği gösterdikleri bulgulandı. Spin coating yöntemiyle toz olarak üretilen bütün SOFC bileşenlerinin ince filmleri üretildi. Üretilen tabakalar XRD, SEM, DTA/TG ve empedans ölçüm yöntemleri ile karakterize edildi.  NiO-YbSZ kompozit ve Ni-YbSZ sermet anot aktif tabakalarından oluşan dört bileşenli yakıt hücrelerinin güç yoğunluğu ölçümleri yapıldı. Gözlenen performansların diğerine göre daha yüksek olması nedeniyle NiO-YbSZ kompozit sisteminin anot elektrotu olarak kullanımının daha uygun olduğu belirlendi. 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. Kompozit anot sistemi içindeki NiO oranının hücre performansına etkisi de araştırıldı. Bu amaçla, %50, 70, 80 hacimsel oranlarında NiO ve % 50, 30, 20 hacimsel oranlarında YbSZ-tabanlı katı elektrolitten oluşan anot elektrotlarının da SOFC uygulamaları ve karşılaştırmaları yapıldı. Güç yoğunluğu ölçüm sonuçlarına göre 156 mW/cm2 değeri ile %60 NiO+%40 YbSZ kompozit anot sistemini içeren yakıt hücresinin en yüksek performansa sahip olduğu belirlendi.  Performansın iyileştirilmesi amacıyla katı elektrolitin kalınlığı azaltıldı ve Katot (LNF)Katot Aktif (8-YbSZ+LNF) Katı Elektrolit (8-YbSZ)Anot Aktif (Hacimce: %60 NiO + %40 YbSZ + 0.3 g Aktif Karbon) yakıt hücresi için güç yoğunluğunun 188 mW/cm2 değerine yükseldiği gözlendi.  Performans ölçümleri sonrasında; bileşenlere ait ideal tabaka kalınlıklarının katot+katot aktif, katı elektrolit ve anot aktif, için sırasıyla; 700 m, 30 m ve 65 m en uygun olduğu sonucuna varıldı. Performansı daha da yükseltilebilmek amacıyla, %60 NiO+%40 YbSZ anot aktif tabaka üzerine anot elektrotu olarak saf NiO bileşiği kaplanarak beş bileşenli yakıt hücrelerinin üretimleri ve optimizasyonları yapıldı. Tüm çalışmalar sonucunda beş bileşenli yakıt hücresi için ideal bileşen kalınlıklarının katot+katot aktif: 700 m, elektrolit: 30 m, anot aktif+anot: 70 m şeklinde olması gerektiği sonucuna varıldı. Üretilen beş bileşenli SOFC sistemleri içerisinde en yüksek performansların; Katot (LNF)Katot Aktif (8-YbSZ+LNF) Katı Elektrolit (8-YbSZ)Anot Aktif (Hacimce: %60 NiO + %40 YbSZ + 0.3 g Aktif Karbon)Anot (NiO + 0.3 g Aktif Karbon) beş bileşenli yakıt hücresi için 850 oC'de 274 mW/cm2 düzeyinde olduğu belirlendi. Gözlenen performans değerleri literatür verileriyle karşılaştırıldığında, kabul edilebilir düzeyde oldukları ve tez çalışmasında üretilen hücrelerin endüstriyel bakımdan SOFC uygulamalarında kullanılabilir niteliklerde oldukları sonucuna varıldı.

Abstract:
In study, the fabrication of different types of the LNF cathode supported solid oxide fuel cells which contain Yb2O3 doped ZrO2 (fcc) based solid electrolyte materials were investigated. ZrO2 (fcc) phase was stabilized with the doping of Yb2O3 by using the sol-gel techniques. The impedance electrical conductivity measurements indicated that the produced fcc-phases had oxygen ionic electrical conductivity. Thin films of the powder components were produced with the spin coating method. XRD, DTA/TG, SEM and impedance electrical conductivity characterizations were made for the produced sheets. The power density measurements of four-component fuel cells consisting of NiO-YbSZ composite and Ni-YbSZ cermet anode active layers were performed. Due to higher performance observed compared to others, it was determined that the use of NiO-YbSZ composite system as anode electrode was more suitable. The most suitable gas flow rates were optimized as 160 mL/min oxidant flow rate and 80 mL/min fuel flow rate for 1 cm2 active surface area of fuel cell. The effect of NiO ratio in composite anode system on cell performance was also investigated. To this end, SOFC applications and comparisons of anode electrodes containing 50, 70, 80% volumetric rates of NiO and 50, 30, 20% volumetric rates of YbSZ-based solid electrolyte. Based on the results of power density measurement, it was determined that the fuel performance containing 60% NiO+40% YbSZ composite anode system had the highest performance with 156 mW/cm2.  The thickness of solid electrolyte was reduced in order to improve the performance and it was observed that the power density increased to 188 mW/cm2 for Cathode (LNF)Cathode Active (8-YbSZ+LNF) Solid Electrolyte (8-YbSZ)Anode Active (Volume Ratio:%60 NiO+%40 YbSZ +0.3 g Active Carbon) fuel cell.  After the performance measurements, it was concluded that the most suitable layer thicknesses for cathode+cathode active, solid electrolyte and anode active were 700 m, 30 m and 65 m respectively. In order to further improve the performance, the production and optimization of five-component fuel cells were performed by coating pure NiO compound on 60% NiO+40% YbSZ anode active layer as anode electrode. As a result of the study, it was concluded that the ideal component thicknesses for the five-component fuel cell were cathode+cathode active:700 m, electrolyte:30 m, anode active+anode:70 m. All of the experimental results showed that the highest performance appeared five-component SOFC system of Cathode (LNF) Cathode Active (8-YbSZ+LNF) Solid Electrolyte (8-YbSZ) Anode Active (Volume Ratio:%60 NiO+%40 YbSZ +0.3 g Active Carbon) Anode (NiO+0.3 g Active Carbon) and the maximum electrochemical cell performance was observed 274 mW/cm2 at 850 oC. It was estimated that this level of the power density can be acceptable and comparable with literature data. These observations indicated that the produced materials can be used for the applications of the solid oxide fuel cell systems.