Tersinir katı oksit hücreleri için yenilikçi nikel temelli elektrotlar

Abstract

Güneş ve rüzgar gibi yenilenebilir enerji teknolojileri alternatif bir enerji üretim metodu olarak karşımıza çıkmaktadır. Fakat yenilenebilir enerji kaynakları kesintiye uğramakta ve değişkenlik göstermektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarındaki kesinti ve değişkenlik nedeniyle tersinir katı oksit hücrelerine (TKOH) olan ilgi günden güne artmaktadır. Uygun şartlarda enerjinin depolanması ve enerji kaynaklarının olmadığı zamanlarda ise bu depolanan enerjinin kullanılması sürdürülebilir enerji için gerekliliktir. Bu enerji dönüşümü ve depolanması için TKOH`ler uygun aygıtlardır. Çünkü TKOH hem yakıt gazlarının elektrik ve ısıya dönüştürüldüğü yakıt hücresi modunda hem de tersine çalıştırılarak enerji verilip yakıt gazının üretilebildiği elektroliz hücresi modunda çalışabilen çevre dostu elektrokimyasal aygıtlardır. Tersinir katı oksit hücreleri hava elektrodu, elektrolit ve yakıt elektrodu olmak üzere üç ana bileşenden oluşmaktadır. Yakıt elektrotları genellikle hem elektrokatalizör hem de iyonik iletken fazlarının karışımından oluşan gözenekli kompozitlerdir. En yaygın şekilde kullanılan yakıt elektrodu malzemesi ise nikel-itriya katkılı zirkonyum (Ni-YSZ) sistemidir. TKOH'lerin en büyük problemi Ni-YSZ yakıt elektrotlarıda meydana gelen mikroyapısal bozulmalar ve buna bağlı olarak gerçekleşen elektrokimyasal performanstaki kayıplarıdır. TKOH'lerin ticarileşebilmeleri için bu kararlı performansa, dolayısıyla çalışma süresince bozulmayan yakıt elektrodu mikroyapılarına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında da daha kararlı mikroyapı ve kararlı elektrokimyasal performansı elde edebilmek için, farklı tasarım ve modellere sahip yenilikçi nikel temelli yakıt elektrotları geliştirilmiştir.Renewable energy technologies such as solar and wind are emerging as alternative energy production methods. However, renewable energy sources are intermittent and variable. Due to the intermittency and variability in renewable energy sources, interest in reversible solid oxide cells (RSOCs) is increasing day by day. Storing energy under appropriate conditions and using this stored energy when energy resources are not available is a necessity for sustainable energy. Reversible solid oxide cells are suitable devices for this energy conversion and storage because RSOC are environmentally friendly electrochemical devices that can operate both in fuel cell mode, where fuel gases are converted into electricity and heat, and in electrolysis cell mode, where energy is given, and fuel gas is produced by operating in reverse. Reversible solid oxide cells consist of three main components: air electrode, electrolyte and fuel electrode. Fuel electrodes are generally porous composites consisting of both electrocatalyst and ionic conductor phases. The most commonly used fuel electrode material is the nickel-yttria doped zirconium (Ni-YSZ) system. The main disadvantage of Ni-YSZ fuel electrodes is the microstructural degradation that occurs during long-term operation and the resulting losses in electrochemical performance. Microstructural problems are one of the biggest obstacles to the commercialization of reversible solid oxide cells. Therefore, nickel-based fuel electrodes with more stable microstructure and performance are needed in reversible solid oxide cells. In this thesis, innovative nickel-based fuel electrodes with different designs and models were developed in order to obtain more stable microstructure and stable electrochemical performance.