Katı oksit yakıt pillerinde kullanılabilir özellikli Nb2O5 katkılanmış ?-Bi2O3 tabanlı katı elektrolitlerin ince filmlerinin üretilmesi ve karakterizasyonları
Thin film production and characterization of Nb2O5 doped ?-Bi2O3 based solid electrolyte for the application of the solid oxide fuel cells
Yazar: SONER ÇAKAR
Danışman: PROF. DR. ORHAN TÜRKOĞLU
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry
Dizin: Katıhal reaksiyon yöntemi = Solid state reaction method ; Katıhal reaksiyonu = Solid state reaction

Özet:
Bu tez çalışmasında katot destekli Nb2O5 katkılanarak stabilize edilmiş ? -Bi2O3 (fcc) tabanlı katı elektrolit sistemlerini içeren katı oksit yakıt pilleri (SOFC) üretimi araştırılmıştır. ? -Bi2O3 fazı Nb2O5'in katı hal teknikleri ile katkılanması sonucu elde edildi. Üretilen ? - fazlarının, dört nokta d.c. iletkenlik ölçümlerinden elde edilen verilerin doğrultusunda, fazların oksijen iyonik elektriksel özelliği gösterdikleri bulgulandı. Üretilen hücrelerde, mikro yapı ve elektriksel iletkenlik özellikleri iyileştirilerek üretilen LaNi1-xFexO3 (x=0.4, LNF) perovskit malzemesi katot elektrotu olarak kullanıldı. 60% Ag2O, 40% ? -Bi2O3 birleşenlerinden oluşan kompozit ve 60 %Ag, 40% ? -Bi2O3 fazlarında oluşan sermet sistemlerin anot elektrotu olarak yakıt hücrelerinde uygulamaları gerçekleştirildi. Toz olarak üretilen bütün SOFC birleşenlerinin ince filmleri spin coating yöntemiyle üretildi. Üretilen tabakalar XRD, SEM; DTA/TG ve dört nokta d.c. iletkenlik yöntemi ile karakterize edilmiştir. Mikro yapısal ve elektriksel iletkenlikleri optimize edilmiş tabakaların, sırasıyla katot aktif, katı elektrolit ve anot kaplama karışımları x=0.4, LNF substratı yüzeyine kaplamaları yapıldı. Güç yoğunluğu ölçümlerinde CH4 ve O2 gazları sırasıyla oksitleyici gaz ve yakıt olarak kullanıldı. Gaz taşıyıcı sistem olarak, çelik-310'dan üretilmiş gaz kanalı sistemi gaz kanalı sistemlerinden faydalanıldı. Güç yoğunluğu ölçümleri sonrasında; 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 gözlendi. İdeal kalınlıklardaki birleşenlerden oluşan SOFC sistemlerinin genelde yüksek Güç yoğunluğu gösterdikleri sonucuna varıldı. En yüksek Güç yoğunluğulı hücresi; Katot (LNF) ? Katot Aktif (13% ? -NSB+LNF) ? Katı Elektrolit (13% mol ? -NSB) ? Anot (Kütle Oranı:60% Ag+40% ? -NSB +0.3 g Aktif Karbon) olduğu belirlendi. Üretilen SOFC sistemleri içerisinde en yüksek Güç yoğunluğuın ? 15 mW.cm-2 düzeyinde oldukları gözlendi.Anahtar Kelimeler: Katı oksit yakıt pilleri (SOFC), ? -Bi2O3 tabanlı katı elektrolitler,Ag sermet anot ve Ag2O kompozit Anot, Yakıt pilleri Güç yoğunluğu, Perovskit tipi katot.

Abstract:
In study, the fabrication of different types of the cathode supported solid oxide fuel cells which contain Nb2O5 doped ? -Bi2O3 (fcc) based solid electrolyte materials were investigated. ? -Bi2O3 phase was stabilized with the doping of Nb2O5 by using the solid state reaction techniques. The four probe d.c. electrical conductivity measurements indicated that the produced ? -phases had oxygen ionic electrical conductivity. The improved of the micro structural and electrical conductivity properties of the perovskite type LaNi1-xFexO3 (x=0.4, LNF) material was used as the cathode electrode in the produced fuel cell systems. The composite of 60% Ag2O, 40% ? -Bi2O3 and the cermet of 60 %Ag, 40% ? -Bi2O3 systems were used as the anode electrodes for the electrochemical cells. Thin films of the powder components were produced with the spin coating method. XRD, DTA/TG, SEM and four probe d.c. electrical conductivity characterizations were made for the produced sheets. The improved of the micro structural and electrical conductivity properties of the components were coated on the substrate of the LNF, order of cathode active, solid electrolyte and anode electrode respectively. The power density characterizations were made by using O2 and CH4 as the oxidant gas and fuel gas respectively. Gas transfer systems were fabricated from the stainless steel-310 materials. According to the power density measurements results; the ideal thicknesses of the SOFC?s components were determinated ? 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 appeared stack of ?Cathode (LNF) ? Cathode Active (13% ? -NSB+LNF) ? Solid Electrolyte (13% mol ? -NSB) ? Anode (Mass Ratio:60% Ag+40% ? -NSB +0.3 g Active Carbon)?. The maximum electrochemical cell power density was observed as ? 15 mW.cm-2.Keywords: Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), ? -Bi2O3 Based Solid Electrolyte, Ag SermetAnode and Ag2O Composite Anode, Fuel Cell Power density, Perovskite Type Cathode.