Polimerik çözelti yöntemi ile üretilmiş kompozit katı oksit yakıt hücresi katotlarında gözenek boyutu ve miktarının kontrolü

Abstract

Katı Oksit Yakıt Hücreleri (KOYHlar) kullandıkları yakıtın kimyasal enerjisini çevreye zarar veren herhangi bir yan ürün oluşturmaksızın ve yüksek verimlilikte (%80'e varan) doğrudan kullanabilir elektrik enerjisine dönüştüren aygıtlardır. KOYHların uzun süreli çalışmalarında yapılarında yüksek çalışma sıcaklıkları (800-1000 °C) ile doğrudan ilişkili olan bozulmalar görülmektedir. Düşük çalışma sıcaklıkları elektrotlarda meydana gelen elektrokimyasal reaksiyonların yavaşlamasına sebep olarak yüksek elektrot dirençlerine yol açacağı için düşük sıcaklıklarda herhangi bir bozunmaya uğramadan çalışabilen ve reaksiyonların gerçekleştiği uzun üçlü faz sınırlarına sahip elektrot malzemeleri üretilmelidir. KOYH elektrotları genellikle yüksek sıcaklıklar gerektiren tozların sinterlenmesi yöntemiyle üretilmektedir. Bu çalışmada yüksek üretim sıcaklığının beraberinde getirdiği mikroyapı kabalaşmasının (yani üçlü faz sınırlarının kısalması) önüne geçmek için etilen glikol temelli sıvı çözeltilerin kullanılmasına dayanan yenilikçi bir yöntem kullanılarak kompozit La0.8Sr0.2FeO3-Ce0.8Sm0.2O2 (LSF-SDC) katotları üretilmiştir. Yüksek sıcaklık gerektirmeyen ve tamamen sıvı formdaki çözeltiler sayesinde katyonların moleküler seviyede karışmasına olana sağlayan bu yöntem istenen nanokompozit yapının eldesini mümkün kılar. Üretilen ince film katotlarının mikroyapılarında rastgele ve kontrol edilemeyen bir gözeneklilik tespit edilmiştir. Mikroyapıda tespit edilen gözenekler reaksiyonların gerçekleştiği aktif alanların kaybedilmesine yol açabileceği için oluşum mekanizması iyi anlaşılmalıdır. Bu çalışmada mikroyapıda meydana gelen rastgele gözeneklerin oluşum mekanizması ve elektrokimyasal performans üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Üretilen ince film elektrotların kristalleşme davranışı x-ışını kırınımı (XRD) ve diferansiyel termal analiz-termogravimetrik analiz (DTA-TGA) kullanılarak araştırılmıştır. Katotların mikroyapı gelişimleri sırasıyla taramalı elektron mikroskopu (SEM) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ile belirlenmiştir.

Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) are devices that convert the chemical energy of the fuel they use into directly usable energy with high efficiencies (up to 80%) without forming any by-products that harm the environment. Deteriorations are observed at the electrodes which are directly related to high SOFC operating temperatures (800-1000°C). Since low operating temperatures lead to slow electrochemical reactions at the electrodes and cause high electrode resistances, electrode materials that can operate without any degradation and have long triple phase boundaries should be fabricated. SOFC electrodes are generally fabricated by sintering powders that require high temperatures. In this study, composite (LSF-SDC) cathodes were fabricated using a novel fabrication method based on the use of ethylene glycol-based liquid solutions to prevent microstructure coarsening (i.e., shortening of the triple phase boundaries) caused by high fabrication temperature. This method, which does not require high temperatures and allows cations to mix at the molecular level makes it possible to obtain the desired nanocomposite structure. Random and uncontrollable porosity was detected in the microstructure of the fabricated thin film electrodes. The pore formation mechanisms should be well understood because the pores detected in the microstructure may lead to the loss of active sites where the electrochemical reactions take place. In present study, the formation mechanism of randomly dispersed pores and their effects on electrochemical performance were investigated. Crystallization behavior of thin film electrodes was investigated by X-ray diffraction (XRD) and differential thermal analysis-thermogravimetric analysis (DTA-TGA). Microstructural evolution and electrochemical performance of cathodes were determined by scanning electron microscopy (SEM) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS), respectively.