Combinatorial development of LSC-113/LSC-214 cathode materials for intermediate temperature solid oxide fuel cells
Orta sıcaklıklı katı oksit yakıt pilleri için LSC-113/LSC-214 katot malzemelerinin geliştirilmesi
- Tez No: 475069
- Danışmanlar: PROF. DR. TAYFUR ÖZTÜRK, DOÇ. DR. YUNUS EREN KALAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Katı oksit yakıt pilleri, yüksek enerji verimliliklerine ve yakıt çeşitliliklerine sahip temiz enerji dönüşüm araçlarıdır. Bu avantajlarının yanı sıra, kullanımlarındaki temel problem yüksek çalışma sıcaklıklarına ihtiyaç duymalarıdır. Çalışma sıcaklıklarının düşürülebilmesi için katot kısmında gerçekleşen reaksiyonların hızlandırılması gerekmektedir. Bu amaç doğrultusunda geliştirilen yeni katot malzemelerinden LSC-113/LSC-214 kompozit katotları hızlı kinetiklerinden ötürü en çok ilgi çeken malzemelerdendir. LSC-113/LSC-214 kompozit yapısının katot kinetiği açısından son derece olumlu sonuçlar sergilediği bilinse dahi bu gelişmenin ne kadar daha arttırılabileceği henüz bilinmemektedir. Kombinasyonel bir yaklaşıma sahip olan bu çalışmada KOYP çalışma sıcaklıklarının 500 - 600 ⁰C aralığına düşürülmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda kompozit yapıdaki LSC-113/LSC-214 katot malzemeleri simetrik ince filmler halinde üretilmiş ve söz konusu katotların reaksiyon kinetikleri elektrokimyasal empedans spektroskopisi yardımıyla irdelenmiştir. Söz konusu çalışma toplamda 3 kısımdan oluşmaktadır. İlk kısımda sıçratma çöktürme tekniğinde kullanılan hedef malzemelerinin üretimi yer almaktadır. Söz konusu çalışmanın temelini oluşturan ikinci kısımda ise kombinasyonel yaklaşım ile en uygun LSC-113/LSC-214 kompozisyonunun elde edilmesine yer verilmektedir. Üçüncü ve son kısımda ise elde edilen katot malzemelerinin çalışma ömürleri anlatılmaktadır. Hedef malzemelerinin üretimini ele alan ilk kısımda temel amaç kaplama tekniğine uygun yapıca sağlam ve uzun ömürlü hedef disklerinin üretilmesidir. Bu amaç doğrultusunda, düşük ölçekli üretimler için son derece maliyetli ve yavaş ilerleyen geleneksel yöntemlere alternatif olarak deforme edilebilir polimer esaslı kalıpların kullanıldığı yeni bir teknik geliştirilmiştir. Çalışmanın ikinci kısmında, farklı içeriklere sahip LSC-113/LSC-214 katotları üretilmiştir. Söz konusu katotlar farklı pozisyonlara koyulmuş elektrolit altlıkların üzerine eş zamanlı olarak kaplanmıştır. Bu sayede üretilen katot malzemelerinin farklı sıcaklıklardaki reaksiyon kinetikleri, elektrokimyasal empedans spektroskopisi kullanılarak taranmıştır. Bu tarama sonucunda son derece düşük alan spesifik direnç değerleri gözlemlenmiştir. Çalışma sıcaklıklarının belirlenmesi için literatürde kabul görmüş ve verimli bir şekilde çalışmayı mümkün kılacak olan 0.15 Ω.cm2 değeri esas alınmıştır. Bu değer farklı içeriklere sahip katot malzemelerinin birçoğunda 700 ⁰C altındaki sıcaklıklarda gözlemlenmiştir. En yüksek performansa sahip kompozisyon aralığı 0.40<LSC-214<0.60 olarak belirlenmiş olup bu aralıktaki en düşük çalışma sıcaklığı ise 615 ⁰C olarak ölçülmüştür. Daha düşük sıcaklıklarda çalışabilen kompozisyonların bulunması amacıyla ikinci bir tarama daha yapılmış ve bu taramada 0.40<LSC-214<0.60 kompozisyon aralığı genişletilerek bu aralıktaki içeriklere sahip numuneler üretilmiştir. Benzer şekilde üretilip test edilen bu ikinci numune havuzunda çalışma sıcaklıklarının 575 ⁰C değerine kadar düşürülebilineceği sonucu çıkarılmış ve bunun için gerekli kompozsiyonun LSC-113:LSC-214 =0.45:0.55 olduğu bulunmuştur. Bunun yanısıra yürütülen yapısal incelemerler eş zamanlı kaplama ile üretilen katot malzemelerinin amorf yapıya sahip olduğunu ve yüksek sıcaklıklarda bu yapının kristalleştiğini gözler önüne sermiştir. 700 ⁰C de uzun süre bekletme sonucunda oluşan kristal yapının 4-10 nm aralığında değişen büyüklüklere sahip nano-kristallerden oluştuğu gözlenmiş ve bunun sebebi olarak kompozit yapıdaki fazların birbirlerinin tane boyutlarındaki artışa izin vermediği öngörülmüştür. Bu durum katotların uzun vadeli kullanımına imkan kılmaktadır. Çalışmanın son kısmı, eş zamanlı kaplanan katotların dayanıklılıklarını esas almaktadır. LSC-113 katot malzemelerinde 400 ⁰C üzeri sıcaklıklarda sıkça rastlanan Sr çökelmesini incelemek amacıyla iki katmanlı katot malzemesi tasarlanmış ve sıçratma çöktürme yöntemiyle üretilmiştir. Katot kinetiğini son derece yavaşlatan yüzeyde Sr çökelmesi sorunu 700 ⁰C de bekletilen iki katmanlı yapıda da gözlenmiş ve bunun üzerine Sr çökelmesinin eş zamanlı kaplanan katotların performansına yönelik etikleri araştırılmıştır. Dayanıklılık çalışmaları, söz konusu katotların 0.15 Ω.cm2 alan spesifik direncine ulaştıkları sıcaklıklarda yapılmış ve literatürle kıyaslandığında son derece uzun ömürlü oldukları sonucunu gözler önüne sermiştir. Bu çalışma doğrultusunda elde edilen çalışma sıcaklığına (575 ⁰C) sahip olan LSC-113:LSC-214 =0.45:0.55 kompozisyonunun en düşük bozunma hızına sahip olduğu bulunmuştur. Bu katodun aynı hızla bozunduğu varsayıldığında, alan spesifik direnç değerinin, 10 000 saatlik çalışmanın ardından 0.15 Ω.cm2 den yaklaşık olarak 3 Ω.cm2 değerine çıkması beklenmektedir.
Özet (Çeviri)
Solid oxide fuel cells are environmentally friendly, efficient and fuel versatile energy conversion devices which suffer from high operating temperatures. For lowering the operating temperatures of solid oxide fuel cells (SOFC), LSC-113/LSC-214 composite cathodes have recently attracted much attention due to their enhanced kinetics. However, the full potential of this novel system is still unknown. In this study, a combinatorial approach was used to develop cathode materials which would reduce operating temperatures of SOFCs to the range 500 - 600 ⁰C. The kinetics of cathodic processes were investigated for LSC-113/LSC-214 composite cathode films deposited with magnetron sputtering and screened with measurement of EIS responses on symmetric cells. The study is made up of three parts. Part I is related to the fabrication of sputtering targets. Part II comprises the main study which was on combinatorial screening of LSC-113/LSC-214 co-sputtered cathodes, and Part III is related to the stability of composite LSC cathodes for prolonged use; In the first part of this study, a novel approach is illustrated to fabricate sputtering targets for thin film production. In this approach, deformable dies made up of poly-tetrafluoroethylene (Teflon) were used instead of conventional rigid dies. It was shown that this method is suitable for products of low volume productions. With the use of teflon rings LSC-113 and LSC-214 sputtering targets were succefully fabricated and used for the deposition of thin film cathodes. In the second part, a combinatorial approach was used to obtain the optimum composition in LSC-113/LSC-214 composite system. A thin film composite cathode library was obtained by co-sputtering of LSC-113 and LSC-214 onto suitably positioned substrates each with controlled compositions. The cathode library was screened with an electrochemical impedance spectroscopy and showed that co-sputtered LSC-113/LSC-214 composite cathodes have low area specific resistance values (ASR) as compared to those reported in the literature. Practically useful ASR value of 0.15 Ω.cm2 was obtainable at many of the compositions in LSC-113/LSC-214 below 700 ⁰C. The best compositional range is 0.40<LSC-214<0.60 where the operating temperature can be as low as 615 ⁰C. Refocusing the combinatorial screening to 0.40<LSC214<0.60, a new set of co-sputtered cathodes were prepared and were analysed with the same technique. As a result of combinatorial refocusing, the lowest operating temperature of 575 ⁰C was possible in LSC-113/LSC-214 composite cathodes at mid-compositions, the best being LSC-113:LSC-214 =0.45:0.55. It was further shown that composite cathodes have an amouphous like structures in co-sputtered conditions, the structure crystallizes during its use. The nanocrystals formed at 700 ⁰C are extremely small, their sizes are in the range of 4-10 nm. The composite structure is thought to restrict the grain growth, contributing to the stability of the as-deposited structure. In the third part, the study aimed to estimate the stability of co-deposited cathodes and their resistances against Sr segregation which was commonly observed in LSC based cathode materials at temperatures above 400 0C. In this part of the study, bi-layered cathodes, LSC-113/LSC-214, were fabricated via sputter deposition to investigate Sr segregation. This has shown that at 700 ⁰C, a surface layer rich in Sr content was formed, verifying that Sr segragation do occur in the bilayer. Also, it was revealed that in co-sputtered composite cathodes, no Sr segregation was observed with STEM analysis. The study of stability of co-sputtered cathodes at temperatures where ASR=0.15 Ω.cm2 showed that the LSC-113/LSC-214 co-sputtered composite cathodes are highly stable with extremely low degradation rate. The composite with the best operating temperature (575 ⁰C) is expected to have an ASR of approximately 3 Ω.cm2 after 10.000 hours of operation.
Benzer Tezler
- Hücresel imalat sistemlerinde maliyet ve sinir ağları tabanlı iki evreli bir kümelendirme yaklaşımı
Artificial neurat network x operation costs based twostage GT clusterning procedure
AFFAN NOMAK
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDOÇ.DR. BÜLENT DURMUŞOĞLU
- Combinatorial development of LSF-based cathode materials for intermediate temperature solid oxide fuel cells
Kombinatoryal yaklaşımla LSF esaslı kompozit katotların orta sıcaklık katı oksit yakıt pilleri için geliştirilmesi
FAHRETTİN KILIÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
EnerjiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUR ÖZTÜRK
- Development of sol-gel catalysts by use of fast combinatorial synthesis and high throughput testing techniques for catalytic oxidation of propylene to propylene oxide
Hızlı kombinasyonal sentez ve hızlı katalitik test yöntemleriyle propilenin propilen oksite katalitik oksitlenmesi için Çöz-Pel katalizörlerinin geliştirilmesi
DERYA DÜZENLİ
Doktora
İngilizce
2010
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. EROL ŞEKER
PROF. DR. IŞIK ÖNAL
- Development of wafer-level vacuum packaging for MEMS devices with transient liquid phase (TLP) bonding: A combinatorial approach
MEMS aygıtlarının geçici sıvı faz bağlama yöntemi ile disk seviyesinde vakum paketlenmesinin kombinatoryal yaklaşım ile geliştirilmesi
ÖZGÜN YURDAKUL
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUNUS EREN KALAY
- Yeşil yazılımda enerji tüketimini düşürmeye yönelik kombinatoryal bir algoritma geliştirilmesi
Development of a combinatorial algorithm to reduce energy consumption in the green software
İBRAHİM ŞANLIALP
Doktora
Türkçe
2022
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSüleyman Demirel ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TUNCAY YİĞİT
DOÇ. DR. MUHAMMED MARUF ÖZTÜRK