Düşük sıcaklıkta çalışan katı oksit yakıt hücreleri için Bi2O3 temelli kompozit ince film katotların geliştirilmesi

Abstract

Katı Oksit Yakıt Hücreleri (KOYHlar), bünyesinde gerçekleşen elektrokimyasal reaksiyonlarla yakıttan doğrudan elektrik üreten bir dönüşüm aygıtıdır. Çeşitli gazları yakıt olarak kullanabilmesi, sessiz çalışması, çevre dostu olması (i.e., hidrojen kullanımında reaksiyon sonucu yan ürün olarak yalnızca su oluşur) ve %80'e yakın verimle çalışması nedeniyle enerji alanındaki araştırma-geliştirme çalışmalarında ümit vaat edici bir konu haline gelmiştir. Yüksek çalışma sıcaklıklarında (800-1000°C), KOYH bileşenlerinde zamanla mikroyapısal ve kimyasal bozunmalar ve dolayısıyla performans düşüşleri gözlemlenir. Bu problemin çözümü için KOYHlar'ın çalışma sıcaklıklarının ?650°C düşürülmesi gerekmektedir. Fakat düşük KOYH çalışma sıcaklıkları elektrotlarda yavaş elektrokimyasal tepkimeye ve bunun sonucunda bu bileşenlerin yüksek direnç göstermesine yol açar. Bu nedenle yeni elektrot malzemelerinin ve/veya uzun üçlü faz sınırına (elektrokatalizör-iyonik iletken-gaz fazlarının kesiştiği sınır) sahip yeni mikro-yapıların geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tez çalışması hem yeni malzemelerin hem de yeni üretim yöntemlerinin geliştirilmesi yaklaşımlarını birleştiren bir araştırma sunmaktadır. KOYH katotlarında sıklıkla elektro-katalizör olarak kullanılan La0.8Sr0.2MnO3 (LSM) ve La0.8Ca0.2MnO3 (LCM), Y2O3 katkılı Bi2O3 (YDB) ile birlikte kompozit formda katot olarak kullanılmıştır. Literatürde nadiren kullanılan LSM-YDB ve LCM-YDB kompozitleri, literatürde ilk defa, polimerik çözelti yöntemi kullanılarak ince filmler halinde üretilmiştir. Bu yöntem, katyonların moleküler seviyede karışmasına olanak sağlayarak ve yüksek sıcaklıklarda ısıl işleme ihtiyaç duymayarak nanokompozit yapıda, uzun üçlü faz sınırına sahip katotların üretilmesine olanak vermiştir. Polimerik çözelti yöntemi ile üretilen LSM-YDB ve LCM-YDB nanokompozit ince filmlerinin kristalleşme davranışı x-ışınları kırınımı (XRD), diferansiyel termal ve termogravimetrik (DTA-TGA) analizler ile tespit edilmiştir. İnce film elektrotların mikroyapısal evrimi taramalı elektron mikroskobu (SEM), elektrokimyasal aktiviteleri ise elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ölçümleri ile gerçekleştirilmiştir.

Katı Oksit Yakıt Hücreleri (KOYHlar), bünyesinde gerçekleşen elektrokimyasal reaksiyonlarla yakıttan doğrudan elektrik üreten bir dönüşüm aygıtıdır. Çeşitli gazları yakıt olarak kullanabilmesi, sessiz çalışması, çevre dostu olması (i.e., hidrojen kullanımında reaksiyon sonucu yan ürün olarak yalnızca su oluşur) ve %80'e yakın verimle çalışması nedeniyle enerji alanındaki araştırma-geliştirme çalışmalarında ümit vaat edici bir konu haline gelmiştir. Yüksek çalışma sıcaklıklarında (800-1000°C), KOYH bileşenlerinde zamanla mikroyapısal ve kimyasal bozunmalar ve dolayısıyla performans düşüşleri gözlemlenir. Bu problemin çözümü için KOYHlar'ın çalışma sıcaklıklarının ?650°C düşürülmesi gerekmektedir. Fakat düşük KOYH çalışma sıcaklıkları elektrotlarda yavaş elektrokimyasal tepkimeye ve bunun sonucunda bu bileşenlerin yüksek direnç göstermesine yol açar. Bu nedenle yeni elektrot malzemelerinin ve/veya uzun üçlü faz sınırına (elektrokatalizör-iyonik iletken-gaz fazlarının kesiştiği sınır) sahip yeni mikro-yapıların geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tez çalışması hem yeni malzemelerin hem de yeni üretim yöntemlerinin geliştirilmesi yaklaşımlarını birleştiren bir araştırma sunmaktadır. KOYH katotlarında sıklıkla elektro-katalizör olarak kullanılan La0.8Sr0.2MnO3 (LSM) ve La0.8Ca0.2MnO3 (LCM), Y2O3 katkılı Bi2O3 (YDB) ile birlikte kompozit formda katot olarak kullanılmıştır. Literatürde nadiren kullanılan LSM-YDB ve LCM-YDB kompozitleri, literatürde ilk defa, polimerik çözelti yöntemi kullanılarak ince filmler halinde üretilmiştir. Bu yöntem, katyonların moleküler seviyede karışmasına olanak sağlayarak ve yüksek sıcaklıklarda ısıl işleme ihtiyaç duymayarak nanokompozit yapıda, uzun üçlü faz sınırına sahip katotların üretilmesine olanak vermiştir. Polimerik çözelti yöntemi ile üretilen LSM-YDB ve LCM-YDB nanokompozit ince filmlerinin kristalleşme davranışı x-ışınları kırınımı (XRD), diferansiyel termal ve termogravimetrik (DTA-TGA) analizler ile tespit edilmiştir. İnce film elektrotların mikroyapısal evrimi taramalı elektron mikroskobu (SEM), elektrokimyasal aktiviteleri ise elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ölçümleri ile gerçekleştirilmiştir.