Fabrication and characterization of bismuth oxide-based bilayer electrolytes for solid oxide fuel cells

Abstract

Katı oksit yakıt hücreleri (KOYH) yüksek çalışma sıcaklarından dolayı oluşan kimyasal ve mikroyapısal bozunmaların sebep olduğu performans kayıpları sebebiyle henüz ticari bir ürün haline gelememiştir. Bu performans kayıplarının üstesinden gelmek için, çalışma sıcaklıklarının 650 °C altına düşürülmesi gelecek vaadeden bir yaklaşımdır. Ancak, çalışma sıcaklıklarını düşürmek yavaş reaksiyon kinetiğine sebebiyet verir. Bizmut oksit bazlı elektrolitler, yüksek iyonik iletkenliklerinden dolayı KOYH'lar için iyi birer adaydır. Ancak, saf bizmut oksit; hedeflenen KOYH şartlarında metalik Bi'a indirgenmektedir. Bu tezde, koruyucu ve iyonik iletken bir katman kullanarak bizmut oksitin indirgeyici ortamlarda indirgenmesini önlemek hedeflenmiştir. Itriya stabilize zirkonya (YSZ) katman, etkili ve ekonomik polimerik öncü çözelti yöntemi kullanılarak YDB seramiklerin üzerinde biriktirilmiştir. YSZ filmlerin optimum biriktirme şartları araştırılmıştır ve geleneksel YSZ polimerik öncüsü kullandığında, öncünün ii) altlıkla reaksiyona girip bizmut itriyum oksiklorit olurşturduğu ve i) polimerleşmesi tamamlanmadığından dolayı çatlak oluşumuna sebep verdiği gözlenmiştir. Geleneksel YSZ polimerik öncüsü, yeni geliştirilmiş olan ve zirkonyum oksiklorit yerine zirkonyum oksinitrat bulunduran YSZ polimerik öncüsüyle değiştirildiğinde biriktirilen ince filmlerdeki çatlak oluşumu önlenmiştir. Filmlerdeki çatlak oluşumu taramalı elektron mikroskobuyla (SEM), altlık ve ince filmler arasında gerçekleşebilecek reaksiyonlar ise x ışını kırınımı ve enerji dağılımlı x ışını spektroskopisi ile incelenmiştir. İnce filmlerin iletkenliği elektrokimyasal empadans spektroskopisi ve bloklayıcı özelliği açık devre potansiyeli ölçümleriyle incelenmiştir.Solid oxide fuel cells (SOFCs) have not been commercialized yet due to high operating temperatures that cause chemical and microstructural degradation, which result in performance losses upon long-term operation. Therefore, lowering the operating temperature below 650 °C is a promising approach. However, this approach leads to slow reaction kinetics. Bismuth oxide-based electrolytes are promising candidates for SOFCs because of their immense ionic conductivity. However, bismuth oxide-based materials reduce to metallic Bi when it is exposed to hydrogen at the targeted SOFC operating temperatures. In this thesis, we aimed to prevent the reduction of bismuth oxide by depositing a thin, chemically stable ionic conductor film onto the fuel side of the bismuth oxide-based ceramic. A thin yttria-stabilized zirconia (YSZ) layer was deposited onto YDB ceramic using a cost-effective and facile polymeric precursor method. The optimum deposition parameters of YSZ thin films were investigated. The generic YSZ polymeric precursor i) reacts with the YDB substrate to form bismuth yttrium oxychloride and ii) leads to crack formation due to unpolymerized reactants in the deposited thin film. Switching from the generic YSZ polymeric precursor to a newly developed one, which consists of zirconium oxynitrate instead of zirconium oxychloride, suppressed crack formation in deposited thin films. Crack formation in thin films, possible reactions between the substrate and thin films were investigated by scanning electron microscopy (SEM), x ray diffraction (XRD) and energy dispersive spectroscopy (EDX), respectively. Electrical conductivities and blockage properties of developed YSZ films were investigated by electrochemical impedance spectroscopy and open-circuit voltage measurements, respectively.