Katı oksit yakıt hücrelerinde katot elektrodu olarak kullanılmak üzere lantan kobalt oksit ince filmlerinin geliştirilmesi

Abstract

Katı oksit yakıt hücreleri (KOYHlar) yakıtları geleneksel yöntemlerden daha verimli bir şekilde (%60'ın üzerinde) yüksek sıcaklıklarda (700-1000°C) kimyasal enerjiyi elektrik enerjisi ve ısıya dönüştürebilen cihazlardır. Yüksek verimlilikte çalışabilmesi ve hidrojen gazını da yakıt olarak kullanabilmesi, bu cihazların herhangi bir yan ürün oluşturmadan çalışmaları ve hidrokarbon gazlara bağlılığın azalmasına olanak sağladıkları için enerji üretim alanında en umut verici alternatif olmuştur. Fakat endüstriyelleşmenin önündeki en büyük engel yüksek sıcaklıklarda zamanla görülen performans kaybı ve yüksek maliyette güç üretmeleridir. Bu problemin çözümü için KOYHların bileşenlerinde kimyasal ve mikroyapısal bozunma meydana gelmeyecek sıcaklıklarda (?600 °C'de) çalıştırılması hedeflenmektedir. Fakat düşük çalışma sıcaklıkları katotta meydana gelen oksijen indirgenme tepkimesinin yavaşlamasına ve dolayısıyla yüksek polarizasyon direnci göstermesine neden olur. Bu yüzden bu çalışmada düşük sıcaklıkta düşük katot polarizasyon direnci gösterebilecek katot malzemelerinden biri olan perovskit yapıdaki La1-xSrxCoO3 (LSC) malzemesi üzerine yoğunlaşılmıştır. Genellikle tozların sinterlenmesi, darbeli lazer biriktirme, alev spreyleme gibi yöntemlerle üretilen LSC katotları, bu tez çalışmasında, literatürde ilk defa etilen glikol temelli polimerik öncü çözelti yöntemi ile yttriya katkılı zirkonya (YSZ) ve daha yüksek iyonik iletkenliğe sahip olan Gd2O3 katkılı CeO2 (GDC) elektrolitler üzerine kaplanarak üretilmiştir. Altlık malzemesinin faz, mikroyapı, yüzey kimyası ve dolayısıyla elektrokimyasal aktivite üzerine etkileri araştırılmıştır. Bu araştırmalarda kristalleşme davranışını incelemek için x-ışınları kırınımı (XRD), diferansiyel termal ve termogravimetrik analizler (DTA-TGA) ile belirlenmiştir. İnce film katotların mikroyapı analizleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile, yüzey kimyaları x-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ölçümleri ile tespit edilmiştir. Ayrıca elektrokimyasal özelliklerinin belirlenmesi için elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) analizleri yapılmıştır.Solid oxide fuel cells (SOFCs) are devices that can convert chemical energy of fuels into electrical energy with efficiencies exceeding 60%, at relatively high temperatures of 700-1000°C. SOFCs are one of the most promising energy conversion technology alternatives to the conventional ones, due to their extremely high efficiencies and their ability to use hydrogen as fuel, which allows operation without carbonaceous gas emissions and reduces dependence on fossil fuels. Microstructural and chemical degradation-induced performance losses that occur upon long-term operation at high temperatures prevent the commercialization of these devices. A straight-forward approach to solve this problem is to operate SOFCs at temperatures (?600 °C) and thus prevent or slow-down chemical and microstructural degradation. However, at low temperatures, oxygen reduction reactions that take place at the cathode also slow-down significantly, causing high polarization resistance and thus low power density. Therefore, the aim of the present work is the development of cathode materials that can operate with polarization resistances at low temperatures. Specifically, mixed ionic-electronic conductor La1-xSrxCoO3 (LSC) with the perovskite structure is the focus. In this thesis, ethylene glycol based polymeric precursor solution method was adopted to fabricate LSC cathode thin films on yttria stabilized zirconia (YSZ) and gadolinia doped ceria (GDC) electrolytes, for the first time at the literature. The effect of electrolyte substrate on the phase, microstructure, surface chemistry evolution and thus the electrochemical activity of the LSC cathodes were investigated. X-ray diffraction, differential thermal analysis and thermogravimetric analysis experiments were performed to monitor the phase formation and crystallization behavior, while scanning electron microscopy (SEM) analyses revealed the microstructural evolution. Surface chemistry and the electrochemical activity of the produced thin films were monitored by x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements, respectively.