Anot destekli YSZ/NiO-YSZ katı oksit yakıt hücrelerinin soğuk sinterleme ile üretilmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında, elektrolit olarak Zr0.84Y0.16O2 (YSZ) kullanılan anot destekli katı oksit yakıt hücrelerinin (KOYH) soğuk sinterleme tekniği ile üretimi araştırılmıştır. Soğuk sinterleme prosesi, konvansiyonel sinterlemeye göre enerji maliyeti, proses basitliği, ekipman gereksinimi gibi avantajlarının yanı sıra, düşük sıcaklık ve kısa süre sayesinde nano yapılı seramiklerin eldesine olanak sağlar. Soğuk sinterleme ile üretilen numuneler fiziksel ve kimyasal özelliklerini geliştirmek adına bilinenden çok daha düşük sıcaklıklarda ikincil bir ısıl işleme (ikincil sinterleme) tabii tutulmuştur. Soğuk sinterlenecek tozlar, belirlenen miktarlarda bir kalıp içine doldurularak 450 MPa'a kadar basınç altında 150-200°C sıcaklıklarda 1, 5 ve 12 saat boyunca preslenmiştir. Sonrasında, genellikle 1400-1500°C gibi yüksek sıcaklıklarda sinterlenen seramiklerin soğuk sinterlemeyi takiben ikincil bir sinterleme ile sırasıyla 1190, 1200 ve 1225°C sıcaklıklarda sinterlenebilirliği araştırılmıştır. KOYH'ların geleneksel yöntemlerle yüksek sıcaklıklarda sinterlenmesi, elektrokatalizör-iyonik iletken kompozit anotlarında tane büyümesine ve dolayısıyla kısa üçlü faz sınırına yol açarak düşük performansa sebebiyet verirken aynı zamanda maliyeti de arttırır. Soğuk sinterleme ile bilineneden çok daha düşük sıcaklıklarda yüksek yoğunluklara ulaşmak mümkün olmuştur. Bu tez çalışmasının en orijinal tarafı, YSZ elektrolit ve NiO-YSZ anot katmanlarının soğuk sinterleme ile birlikte üretilebilirliğinin ilk defa araştırılmasıdır. İki katmanın çekme uyumsuzlukları, çatlak, arayüz ayrışması, bükülme, uyumlanmış yoğunluk değerleri gibi etkileri incelenip bu numunelerin KOYH uygulamaları için uygunluğu araştırılmıştır. Soğuk sinterleme ile yoğunlaştırılan KOYH'ların mikroyapısal, elektriksel ve elektrokimyasal özellikleri karakterize edilmiştir. KOYH'ların soğuk sinterleme ile üretilecek olması, maliyetlerinin düşürülmesini sağlayacak ve ticari olarak üretilmesine katkıda bulunabilecektir.In this thesis, the production of anode supported solid oxide fuel cells (SOFC) using Zr0.84Y0.16O2 (YSZ) as electrolyte by cold sintering process was investigated. Cold sintering process provides advantages in terms of energy cost, process simplicity, equipment requirement as compared to conventional sintering. Also, it allows producing of nano-structured ceramics thanks to low sintering temperatures and short duration. Cold sintered ceramics were subjected to a secondary sintering in order to improve their physical and chemical properties. To be cold sintered powders were fed into a steel die in specified amounts and uniaxially pressed at pressures up to 450 MPa, at temperatures between 150 and 200°C for 1, 5 and 12 hours. Following the cold sintering process, YSZ electrolytes, that are normally sintered at high temperatures such as 1400-1500°C, were sintered at lower temperatures namely at 1190, 1200 and 1225°C. Sintering of SOFCs at high temperatures in conventional furnaces results in grain growth in electrocatalyst-ionic conductive composite anodes and degrades its performance due to decreased triple phase boundaries and also increases the cost of production. The novelty of this study is that NiO-YSZ anode supported YSZ electrolyte SOFCs were produced via cold sintering process and electrically characterized for the first time. Effect of shrinkage mismatch, crack formation, delamination and densification between the layers was investigated of the bilayers. The microstructural, electrical and electrochemical characterization of SOFC components have been carried out. Production of SOFCs by cold sintering method could provide process simplicity, reduced costs and contribute to their commercial production.