Powder and thin film based Ni-YSZ anodes fabricated from polymeri?c precursors for solid oxide fuel cells

Abstract

Katı oksit yakıt hücreleri (KOYH) dünyanın enerji gereksinimini karşılayabilecek doğaya zararı olmaya enerji çözümlerinden biridir ve %60 üzerinden bir elektriksel verimlidir. Geleneksel olarak KOYH üretimi yüksek sıcaklıklarda sinterleme gerektirir ve çalışma sıcaklıkları da aynı zamanda yüksektir (800-1000?C), bu nedenlerden iki ana problem oluşur. Bu problemler başlangıçta düşük performans elde edilmesi ve bu performansın uzun süreli ölçüm şartlarında stabil olmamasıdır. Ni-sermet anotları en çok tercih edilen KOYH anot malzemeleridir, fakat kimyasal ve mikro yapısal degradasyon meydana gelir çünkü Ni parçacıkları büyür, üçlü faz sınırı (üfs) azalır ve performans kötüleşir. Aynı zamanda, redoks şartlarında aynı problem görülür hatta çatlak oluşumu ve kırılma olabilir. Bu tezde, başlangıçtan uzun süreli çalışma şartlarına kadar daha iyi ve stabil anot performansına ulaşmayı hedefledik. Daha yüksek anot performansı için daha uzun üfs yani daha küçük parçacık boyutuna ihtiyaç vardır. Bu çalışmada geleneksel yöntemlerin tersine yüksek sıcaklıkta sinterlemeyi engelleyebilmek için polimerik çözelti yöntemi kullanılmıştır. NiO-YSZ polimerik çözeltisi ince film olarak kaplanmış ve ısıl işlem sıcaklığı 400?C' ye düşürülmüştür. Aynı zamanda polimerik çözeltilerden tozlar üretilmiş ve toz-temelli anot üretilmiştir, bu yöntem yüksek sıcaklıkta ısıl işlem gerektirmesine rağmen geleneksel yöntemden performansı daha iyidir. X-ray difraksiyonu, parçacık boyutu dağılımı ve termal analizler kristal yapı analizleri için yapılmıştır. Mikro yapısal analizler taramalı ve geçirimli elektron mikroskopları (SEM ve TEM), elektrokimyasal empedans spektroskopisi ve viskozite analizleri aynı zamanda ölçülmüştür.Solid oxide fuel cells (SOFCs) are the possible solution the worlds green energy demand with ?60% electrical efficiency. Conventional SOFCs fabrication requires sintering at high temperatures and operation temperature is also high (800-1000?C) thus two main problems originate. These problems are the low initial performance and performance instability at long-term operation conditions. Ni-cermet anodes are most preferred SOFC anode materials, but chemical and microstructural degradation occur, because of the Ni particle groves, triple phase boundaries(tpbs) become lower and performance reduces. Also, the redox conditions have same problem even leads to cracks and failure. In this thesis, we aimed to achieve better and stable anode performance from initial to long-term operation. For the higher anode performance long tpbs thus the small particle size needed. To hindered high temperature sintering despite to conventional methods polymeric precursor method used in this study. NiO-YSZ polymeric precursor coated as thin films and heat treatment at 400?C. Also, powders derived from the polymeric precursors and powder-based anodes produced, even this way requires sintering at high temperatures performance better than the conventional method. X-ray diffraction, particle size distribution and thermal analysis performed for analysis the crystal structure. Microstructural analysis performed with scanning and transmission electron microscopies (SEM, TEM), electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and viscosities analysis also performed.