Protonik seramik yakıt hücrelerinde kullanılmak üzere yeni tip elektroseramiklerin üretilmesi ve yapılarının karakterizasyonu
The production of new types of electroceramics to be used in protonic ceramic fuel cells and the characterization of their structure
Yazar: ÇİĞDEM ÇELEN YÜZER
Danışman: DOÇ. DR. SERDAR YILMAZ
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Enerji = Energy ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Günümüzde enerji ihtiyacının giderek artması ve fosil yakıt rezervlerinin azalması alternatif enerji kaynakları konusundaki araştımaları hızlandırmıştır. Gelecekte enerji ihtiyacının karşılanmasında, hidrojen teknolojisi ve yakıt hücresi teknolojileri son derece önemlidir. Temiz ve etkili elektrik üreten sistemler olmalarına rağmen yakıt hücresi teknolojisinin ticarileşmesinde maliyet, performans, yüksek çalışma sıcaklığı ve uzun ömürlülük gibi bir takım zorluklar bulunmaktadır. Protonik seramik yakıt hücresi, oksijen iyonu ileten katı oksit yakıt hücrelerine göre düşük çalışma sıcaklığı, nispeten düşük aktivasyon enerjisi ve kolay gaz ayrımı gibi avantajları nedeniyle son yıllarda yoğun bir şekilde çalışılmaktadır. 
Bu çalışmada protonik seramik yakıt hücresinin geliştirilmesi için Sol-jel(Pechini) yöntemi ile farklı oranlarda katkılanmış Perovskite(ABO3) tabanlı BaCe(1-x)MxO3 genel formüllü elektroseramikler sentezlenmiştir. Burada A; Baryum(Ba), B; Seryum(Ce) M; katkılama ile örgüye yerleşen Zirkonyum(Zr), İtriyum(Y), Gadolinyum(Gd), Samaryum(Sm) katyonlarıdır. %5 mol Zr ve Y katkı oranı sabit tutulurken, %5-10-15-20 olmak üzere Gd ve Sm katkısı değişmektedir. Sentezlenen toz numuneler birinci kalsinasyon işlemi yapılmış ve öğütülmüştür. Kalsinasyon öncesi ve sonrası numunelere termal analiz yapılmıştır. 1100 °C ve 1300 °C olmak üzere iki farklı sıcaklıklarda ikinci kalsinasyon işlemi uygulanmıştır. Üretilen toz numunelerin kristal yapıları XRD analizi ile belirlenmiş ve preslenerek tablet haline getirilmiştir. 1100 °C'de ikinci kalsinasyonu tamamlanan numunelerin sinterleme sıcaklığını tespit etmek için dilatometri analizi yapılmıştır.  İkinci kalsinasyonu 1300 °C'de gerçekleştirilen numuneler ise 1350 °C'de sinterlenerek seramik elektrolitler elde edilmiştir. Eletrolitlerin iyonik iletkenlikleri empedans analizi ile tespit edilmiştir. Empedans ölçümünden elde edilen veriler kullanılarak Nyquist ve Arrhenius eğrileri çizilmiştir. Nyquist eğrilerinden elektrolitin direnci belirlenip iletkenlik değerleri hesaplanmış, Arrhenius eğrilerinden aktivasyon enerjileri hesaplanmıştır. Değişen Gd katkılı numunelerden en yüksek iletkenlik değerine sahip numune %20 mol Gd katkılı, değişen Sm katkılı numunelerde ise %15 mol Sm katkılı numune olduğu tespit edilmiştir. Sm katkılı numunelerde kritik katkı oranı %15 mol olarak belirlenmiştir. Ayrıca elektrolitler anot ve katot kaplanarak hücre uygulaması denemeleri yapılmıştır.

Abstract:
Nowadays, the increasing need for energy and the decrease in fossil fuel reserves have accelerated the researches on alternative energy sources. Hydrogen technology and fuel cell technologies are extremely important in meeting the energy needs in the future. Although they are clean and efficient electricity generating systems, there are some difficulties in commercializing fuel cell technology such as cost, performance, high operating temperature and longevity. Protonic ceramic fuel cell has been studied intensively in recent years due to its advantages such as low operating temperature, relatively low activation energy and easy gas separation compared to solid oxide fuel cells that conduct oxygen ions.
In this study, for the development of protonic ceramic fuel cell, electroceramics with general formula BaCe(1-x)MxO3 based on Perovskite(ABO3) doped at different rates were synthesized by Sol-gel(Pechini) method. Here A; Barium(Ba), B;Cerium(Ce) M; Zirconium(Zr), Yttrium(Y), Gadolinium(Gd), Samarium(Sm) cations that settle into the lattice by doping. While 5% mol of Zr and Y additives are kept constant, the Gd and Sm additives vary as 5-10-15-20%. The synthesized powder samples were first calcined and ground. Thermal analysis was performed on the samples before and after calcination. The second calcination process was applied at two different temperatures, 1100 °C and 1300 °C. The crystal structures of the produced powder samples were determined by XRD analysis and pressed into tablets. Dilatometry analysis was performed to determine the sintering temperature of the samples whose second calcination was completed at 1100 °C. The samples, whose second calcination was carried out at 1300 °C, were sintered at 1350 °C to obtain ceramic electrolytes. The ionic conductivity of the electrolytes was determined by impedance analysis. Nyquist and Arrhenius curves were drawn using the data obtained from the impedance measurement. The resistance of the electrolyte was determined from the Nyquist curves and the conductivity values were calculated, and the activation energies were calculated from the Arrhenius curves. It has been determined that the sample with the highest conductivity value among the samples with varying Gd doping is 20 mol% Gd doped, while the samples with varying Sm doping have 15 mol% Sm doped samples. The critical contribution rate was determined as 15 mol% in the Sm doped samples. In addition, cell application experiments were carried out by coating the electrolytes at the anode and cathode.