Katı oksit yakıt hücreleri için nanokompozit katotların geliştirilmesi

Abstract

Katı Oksit Yakıt Hücreleri (KOYHlar) 800-1000ºC arasında çalışan ve kullandıkları yakıtların kimyasal enerjisini, elektrotlarında meydana gelen elektrokimyasal reaksiyonlar sonucunda elektrik enerjisine dönüştüren aygıtlardır. KOYHların çevreye zarar verecek herhangi bir yan ürün oluşturmaksızın yüksek verimlilikte (%80'e varan) çalışmaları bu cihazları enerji üretim teknolojilerinin en güçlü alternatifi haline getirmiştir. Fakat KOYHlar uzun süreli çalışma esnasında yüksek çalışma sıcaklığına bağlı performans kayıplarına uğramaları ve yüksek maliyette güç üretmeleri nedeniyle henüz endüstriyel olarak üretilmemektedir. Bu problem için benimsenen en yaygın çözüm önerisi KOYHların çalışma sıcaklıklarının düşürülmesidir. Ancak düşük çalışma sıcaklığı elektrotlarda yavaş elektrokimyasal reaksiyona ve dolayısıyla yüksek elektrot direncine sebep olur. Bu çalışmada, düşük KOYH çalışma sıcaklıklarında (?650°C) kabul edilebilir elektrokimyasal aktivite gösteren katot malzemelerinin üretilmesi amaçlanmıştır. Katotlar; elektrokatalizör malzemeler La0,8Sr0,2MnO3 ya da La0,8Ca0,2MnO3, iyonik iletken Ce0,8Sm0,2O2 fazı ile kompozit halinde, literatürde ilk defa polimerik çözelti yöntemi ile ince film formunda üretilmiştir. Bu yenilikçi yöntem, iyonların moleküler seviyede karışması ve geleneksel yöntemlerin aksine, yüksek sıcaklıklarda ısıl işlem gerektirmemesi sayesinde nanokompozit yapıların oluşmasını sağlamakta, dolayısıyla uzun üçlü faz sınırı ve yüksek elektrokimyasal aktivite eldesini mümkün kılmaktadır. Üretilen katot malzemelerinin kristalleşme davranışını incelemek için X-ışınları Kırınımı (XRD), Diferansiyel Termal Analiz-Termogravimetrik analiz (DTA-TGA) ve elektrokimyasal özelliklerinin belirlenmesi için Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS) analizleri yapılmıştır. Ayrıca üretilen ince filmlerin yüzey kimyaları X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) ölçümleri ile tespit edilmiştir. İnce film katotların mikro yapıları ve nanoboyutta element dağılımı haritalaması, sırasıyla Taramalı Elektron Mikroskopu (SEM), Geçirimli Elektron Mikroskobu-Enerji Dağılımlı X-ışını Spektroskopisi (TEM-EDS) analizleri ile araştırılmıştır.

Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) are devices that convert the chemical energy of the fuels into electrical energy making use of the electrochemical reactions that occur at their electrodes, at 800-1000?. The ability of SOFCs to operate with high efficiencies (up to 80%) with no harmful gas emissions makes them the most powerful alternative to the power generation technologies. However, SOFCs are not yet industrially produced due to the performance losses they exhibit at the high operating temperatures upon long-term operation. The most common solution proposed to solve this problem is reducing the operating temperatures of SOFCs. However, the low temperature leads to slow electrochemical reactions at the electrodes and high electrode resistance. In this study, it is aimed to fabricate cathode materials which operate with acceptable electrochemical activity at low SOFC operating temperatures (?650°C). Composite cathodes with La0.8Sr0.2MnO3 or La0.8Ca0.2MnO3 and Ce0.8Sm0.2O2 as electrocatalyst and ionic conductor materials respectively, by polymeric precursor method. This method yields nanocomposite structures with long triple phase boundaries and thus, high electrochemical activity, due to the molecular level mixing and the fact that it does not require high heat treatment temperatures. The crystallization behavior of the cathodes was investigated by X-ray Diffraction, Differential Thermal Analysis and Thermogravimetric Analysis experiments. The microstructural evolution, elemental distribution of cations and the surface chemistry of the thin films were studied by Scanning Electron Microscopy, Transmission Electron Microscopy- Energy Dispersive X-ray Spectroscopy and X-ray Photoelectron Spectroscopy respectively, while their electrochemical activity was determined by electrochemical impedance spectroscopy.