Katı oksit yakıt hücreleri için bizmut oksit içeren kompozit elektrolitlerin üretilmesi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of bismuth oxide containing composite electrolytes for solid oxide fuel cells
Yazar: SELMA NUR BÜYÜKGÖZ
Danışman: DOÇ. DR. ALİGÜL BÜYÜKAKSOY
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering

Özet:
Katı oksit yakıt hücreleri (KOYH) kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine çeviren ve fosil yakıtlı kaynaklarla çalışan sistemlere göre çevre dostu olan cihazlardır. Yüksek verimlilikle (yaklaşık %80) çalışan KOYH cihazları, yüksek çalışma sıcaklıkları (800-1000 °C) sebebiyle yaygınlaşamamıştır. Yüksek çalışma sıcaklıkları kimyasal ve mikroyapısal bozunmalara bağlı olarak performans kayıplarına ve stabilite sorunlarına sebep olur. Bu problemlerin önüne geçebilmek için KOYH çalışma sıcaklıklarının ≤700 °C'ye düşürülmesi literatürdeki yaygın yaklaşımlardan birisidir. Bu amaca ulaşılabilmesi için KOYHların toplam direncinin düşük sıcaklarda dahi belirli bir seviyenin altında olması gerekmektedir. Bunun için yüksek iyonik iletkenlik gösteren yeni elektrolit malzemelerin geliştirilmesi gerekmektedir.
KOYH elektroliti olarak genellikle itriya ile kararlaştırılmış zirkonya (YSZ) kullanılmaktadır. Bu çalışma kapsamında, yüksek kimyasal kararlılığa sahip YSZ ve yüksek iyonik iletkenliğe sahip itriya ile katkılandırılmış bizmut oksit (YDB) kullanılarak infiltrasyon yöntemiyle YDB-YSZ kompozit elektrolitler üretilecektir. KOYH için infiltrasyon yöntemiyle kompozit elektrolit üretimi ilk kez bu çalışma kapsamında gerçekleşecektir. Üretilecek YDB-YSZ kompozit elektrolitlerin YSZ'ye göre daha yüksek iyonik iletkenlik göstermesi ve sinterleme sıcaklığının düşürülmesi beklenmektedir. Bunlara bağlı olarak da KOYH verimliliğin iyileşmesi hedeflenmektedir.
İnfiltrasyon yöntemiyle üretilen YDB-YSZ kompozit elektrolitlerin kristal yapılarını incelemek için x-ışınları kırınımı (XRD), mikroyapı analizlerini gerçekleştirmek için taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve elektrokimyasal davranışlarını incelemek için empedans spektroskopisi (EIS) yöntemleri kullanılacaktır.

Abstract:
Solid oxide fuel cells (SOFC) are devices that convert chemical energy directly into electrical energy and are more environmentally friendly than systems working with fossil fuel sources. SOFC devices operating with high efficiency (approximately 80%) could not become widespread due to their high operating temperatures (800-1000 °C). High operating temperatures cause performance losses and stability problems due to chemical and microstructural degradation. In order to prevent these problems, a viable approach is to reduce the operating temperatures of SOFCs down to ≤700 °C. By developing new electrolyte materials that can exhibit high ionic conductivity even at lower operating temperatures may yield reduced temperature SOFC operation.
Yttria-stabilized zirconia (YSZ) is generally used as the SOFC electrolyte. In this study, using the chemically stable YSZ and the fast ion conductor yttria doped bismuth oxide (YDB), we propose to fabricate YDB-YSZ composite electrolytes. Composite electrolyte fabrication will be realized by the infiltration method for for the first time in the literature. It is expected that the YDB-YSZ composite electrolytes to be produced will show higher ionic conductivity than YSZ and the sintering temperature will be lowered. Accordingly, it is aimed to improve the efficiency of SOFC.
X-ray diffraction (XRD) methods will be used to examine the crystal structures of YDB-YSZ composite electrolytes produced by infiltration method, scanning electron microscopy (SEM) to perform microstructure analysis and impedance spectroscopy (EIS) methods to examine their electrochemical behavior.