Cold sintering of sm doped ceria - sodium carbonate nanocomposite electrolytes for sofc applications

Abstract

Bu tez, Katı Oksit Yakıt Hücreleri (SOFC) için yenilikçi elektrolit malzemelerin Soğuk Sinterleme Prosesi (CSP) aracılığıyla geliştirilmesini araştırmaktadır. Geleneksel üretim yöntemlerinden kaynaklanan düşük yoğunluk, sodyum karbonatın dekompozisyonu ve tane kabalaşması gibi problemlere çözüm getirmeyi amaçlayan çalışmada, farklı oranlarda Na?CO? içeren serya (CeO2) bazlı nanokompozit elektrolitler üzerine odaklanılmıştır. Düşük sıcaklıklarda çalışan CSP tekniği, iletkenlik açısından kritik olan nano ölçekli yapıyı korurken yüksek yoğunluk elde etmeyi hedeflemektedir. Samaryum katkılı serya (SDC)-Na?CO? nanokompozitlerin CSP ile yoğunlaştırılması ayrıntılı şekilde sunulmuştur. Deneysel sonuçlar, CSP yönteminin 200 °C altındaki sıcaklıklarda ?% 97 kısmi yoğunluklara ulaşarak geleneksel sinterleme yöntemlerini önemli ölçüde geride bıraktığını göstermektedir. Karbonat miktarı ile farklı çözücülerin (saf su ve etilen glikol) mikro yapısal ve elektriksel özellikler üzerindeki etkisi sistematik olarak araştırılmıştır. Nemlendirme yöntemi ve karbonat konsantrasyonunun hem yoğunluk hem de iletkenlik üzerinde belirleyici olduğu bulunmuştur. Ağırlıkça % 20 karbonat içeriğine sahip elektrolitler, katot/elektrolit/katot yarım hücre konfigürasyonunda test edilerek 600 °C'de 68 mS/cm seviyesinde iyonik iletkenlik göstermiştir. İndirgen atmosfer (H?) altında bu değer 0.13 S/cm'ye kadar yükselmiştir. Ayrıca, anot, elektrolit ve katot katmanlarının CSP yoluyla tek adımda üretildiği KOYH hücrelerinin üretimi başarıyla gerçekleştirilmiştir. Yapılan tam hücre testleri 534 mW/cm²'lik bir güç yoğunluğu elde edildiğini ortaya koymuştur. Çalışmada ayrıca, seramik-karbonat arayüzünde oluştuğu varsayılan süperiyonik iletim yolunun varlığı araştırılmıştır. Ancak bu süperiyonik iletim mekanizmasına dair doğrudan deneysel bir kanıt elde edilememiş olup, daha ileri çalışmalara ihtiyaç duyulmaktadır.

This thesis investigates the development of innovative electrolyte materials for Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) through the Cold Sintering Process (CSP). The study aims to address challenges associated with conventional fabrication methods, such as low densification, sodium carbonate decomposition, and grain coarsening, by focusing on ceria-based nanocomposite electrolytes containing varying amounts of Na?CO?. The CSP technique, which operates at low temperatures, aims to achieve high densification while preserving the nanoscale structure that is critical for ionic conductivity. The densification of samarium-doped ceria (SDC)-Na?CO? nanocomposites via CSP is presented in detail. Experimental results demonstrate that the CSP method achieves relative densities of ?97 % at temperatures below 200 °C, significantly outperforming conventional sintering techniques. The effects of carbonate content and different transient solvents (deionized water and ethylene glycol) on microstructural and electrical properties were systematically investigated. It was found that both the humidification method and carbonate concentration play a critical role in determining the densification and conductivity. Electrolytes with 20 %wt. carbonate content tested in a cathode/electrolyte/cathode half-cell configuration exhibited ionic conductivity of 68 mS/cm at 600 °C. Under a reducing atmosphere (H?), this value further increased to 0.13 S/cm. Furthermore, single-step fabrication of full SOFC cells integrating the anode, electrolyte, and cathode layers via CSP was successfully achieved. Full-cell tests demonstrated a power density of 534 mW/cm². The study also explored the hypothesized superionic conduction pathway at the ceramic-carbonate interface. However, no direct experimental evidence of this superionic pathway could be obtained, indicating that further investigation is required.