CaO ve Fe2O3 katkılı ZrO2 seramiklerinin katı oksit hücre elektroliti uygulaması için incelenmesi

Abstract

Katı oksit yakıt hücreleri (KOYH'lar) küresel ısınma probleminin çözümüne yenilenebilir enerji teknolojilerini tamamlayıcı bir rol üstlenerek katkıda bulunabilecek cihazlardır. KOYH sistemlerinde su buharından elektrokimyasal yolla elde edilen hidrojen ve oksijen gazlarından yüksek verimle (%80'e varan) elektrik elde edilmesi mümkündür. Hidrojen gazı ve elektrik elde edilmesi, KOYH'ların sırasıyla elektroliz ve yakıt hücresi modlarında çalışmasıyla elektrokimyasal olarak gerçekleşir. Katı oksit yakıt hücreleri, oksijen iyonu ileten seramik membran temelli enerji dönüşüm teknolojileridir. Geleneksel olarak katı oksit yakıt hücrelerinde bolca oksijen boşluğu barındıran, yüksek iyonik iletkenlik ve KOYH çalışma koşullarında kimyasal kararlılık gösteren Y2O3 katkılı ZrO2 (YSZ) kullanılmaktadır. Bu malzemede Y2O3 katkısı, hem ZrO2'yi yüksek iyonik iletkenlik gösteren kübik fluorit fazda kararlı hale getirme hem de oksijen boşluğu yaratma görevi görmektedir. Ancak, itriyum (Y) yüksek tedarik riski olan bir elementtir. Bu nedenle hem faz kararlılığı hem de yüksek iyonik iletkenlik sağlayan ve daha düşük tedarik riski olan elementlerin kullanımı sürdürülebilir KOYH'lar elde etmek için önemlidir. Literatürde şimdiye kadar ZrO2'nin Y2O3 dışında CaO ile kübik fazda kararlılaştırılabildiği tespit edilmiştir fakat Fe2O3 ve CaO metal oksitlerinin birlikte ZrO2'ye katkılanması hiç çalışılmamıştır. Bu tez kapsamında farklı miktarlarda CaO ve Fe2O3 katkılı ZrO2 tozları Pechini yöntemiyle sentezlenecektir. Daha sonra kuru presle şekillendirilerek pelet haline getirilecek ve %90'ın üzerinde yoğunluğa ulaşana kadar sinterlenecektir. Üretilen elektrolit malzemelerin kristal yapı analizi için X-ışınları kırınımı (XRD), mikroyapı incelemesi için taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve elektriksel iletkenliğini belirlemek için empedans spektroskopisi (EIS) yöntemleri kullanılacaktır. Elde edilecek sonuçlar, daha sürdürülebilir malzemelerle KOYH elektrolitlerinin üretilmesine yardımcı olacaktır ve aynı zamanda KOYH'ların ticarileşmesine katkıda bulunarak yenilenebilir enerji teknolojilerinin kullanılabilirliğini arttıracaktır.global warming problem by playing a complementary role with renewable energy technologies. In SOFCs systems, it is possible to produce electricity with high efficiency (up to 80%) from hydrogen and oxygen gases obtained electrochemically from water vapor. Hydrogen gas and electricity are produced electrochemically by operating the SOFCs in electrolysis and fuel cell modes, respectively. Solid oxide fuel cells are energy conversion technologies based on oxygen ion conducting ceramic membranes. Conventionally Y2O3 doped ZrO2 (YSZ) is used in solid oxide fuel cells, as it contains abundant oxygen vacancies, has high ionic conductivity and chemical stability under SOFCs operating conditions. In this material, the Y2O3 additive serves to both stabilize ZrO2 in the cubic fluorite phase, which exhibits high ionic conductivity, and to create oxygen vacancies. However, yttrium (Y) is an element with a high supply risk. Therefore the use of elements that provide both phase stability and high ionic conductivity and have a lower supply risk is important for obtaining sustainable SOFCs. In the literature, it has been previously determined that ZrO2 can be stabilized in the cubic phase with CaO other than Y2O3, but the doping of ZrO2 with both Fe2O3 and CaO never been studied. Within the scope of this thesis, ZrO2 powders with different amounts of CaO and Fe2O3 additives will be synthesized by the Pechini method. They will then be shaped by a dry press, turned into pellets and sintered until they reach a density of over %90. The crystal structure of the produced materials will be analyzed by X-ray diffraction and the microstructure of them will be determined by scanning electron microscopy. The electrical conductivity of the electrolytes will be determined by impedance spectroscopy. The results to be obtained will help produce SOFCs electrolytes with more sustainable materials and will also increase the availability of renewable energy technologies by contributing to the commercialization of SOFCs.