Safa KOÇ, BORA TİMURKUTLUK, SELAHATTİN ÇELİK

Eğilme dayanımı iyileştirilmiş anot destekli katı oksit yakıt pili geliştirilmesi

Yakıt pilleri, yakıtın kimyasal enerjisini elektrokimyasal olarak doğrudan elektrik enerjine dönüştüren cihazlardır. Bu cihazlar bu dönüşümü herhangi bir mekanik adım olmadan gerçekleştirmektedir. Mevcut yakıt pilleri arasında Katı Oksit Yakıt Pili (KOYP) yüksek enerji dönüşüm verimi, farklı yakıt seçenekleri, temiz ve sessiz çalışma gibi avantajlarından dolayı son zamanlarda büyük ilgi çekmektedir. KOYP’leri diğer yakıt pillerinden ayıran ve farklı bir kategoriye yerleştiren en önemli özelliği ise yüksek çalışma sıcaklıklarıdır (600- 1000°C). Ayrıca Carnot çevrim sınırlandırmalarına bağlı olmaması teorik verimlerinin ısıl motor verimlerinden daha yüksek olması ile sonuçlanır. Bu çalışmada endüstriyel boyutlarda anot destekli katı oksit yakıt pili üretiminde ortaya çıkan eğilme, çatlama problemleri deneysel olarak incelenmiş yüksek mukavemetli anot destekli KOYP hücresi üretimi için koşulları belirlenmiştir. Deneysel çalışmada anot destek tabaka (ADT) ve anot işlevsel tabaka (AİT) karışım oranları, toz boyutları, tabaka kalınlıkları değiştirilerek, tabakaların uzama miktarları, çekme hızları ve eğrilik miktarları belirlenmiştir. Dilatometre yardımı ile elde edilen çekme hızları ince elektrolit tabakanın çekme hızına yaklaştırılmış ve böylece hücrede sinterleme sonrasında meydana gelen eğilmeler azaltılarak mekanik dayanım iyileştirilmiştir. Optimize edilmiş üretim parameterleri kullanılarak 100 cm2 boyutlarında KOYP hücreleri imal ve test edilmiştir.

Development of anode supported solid oxide fuel cell with improved warpage behavior

Fuel cells are the devices that convert chemical energy of a fuel directly into electrical energy by electrochemical methods without any intermediate mechanical steps. Among the existing fuel cells technologies, Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) have been attracting great interest because of the advantages including high energy conversion efficiency, different fuel options, clean and quiet operation. The most important feature that distinguishes SOFC from other fuel cell and place it in a different category is the high operating temperatures (600-1000 °C). In addition, they do not depend on the limitation of the Carnot cycle thus their efficiency is higher than those of the internal combustion engines. In this study, the problems of warpage and cracking which occur during the fabricating of an industrial size anode supported solid oxide fuel cell (SOFC) have been experimentally investigated and the fabrication parameters which enable to obtain anode supported SOFC with high strength has been determined. In the experimental study, the effects of composition, the powder size and the thickness of both anode support and anode functional layers on the shrinkage rate and warpage behavior have been studied. The shrinkage rates of

PDF

___

[1] Patil, S.A., Dubois, G.T., Sifer, N., Bostic, E., Gardner, K., Quah, M., Bolton, C., (2004) “Portable Fuel Cell Systems For America’s Army: Technology Transition to the Field” Journal of Power Sources, 136-2, 220-225.
[2] Vassen, R., Steinbrech, W., Tietz, F., Stöver, D., (1998) “Modelling of Stresses and Bending Behaviour During Co-Firing of Anode-Electrolyte Componentes,” in Proceedings of the 3rd European Solid Oxide Fuel Cell Forum, pp.557
[3] Song, H.J., Park, I.S., Lee, H.Y., Kim, S.H., (2007) “Fabrication characteristics of an anode- supported thin-film electrolyte fabricated by the tape casting method for IT-SOFC” Journal of Materials Processing Technology, 198, 414–418.
[4] Letilly, M., Joubert, O., Caldes, T.M., Le Gal Le Salle, A., (2011) “Tape casting fabrication, co- sintering and optimisation of anode/electrolyte assemblies for SOFC based on BIT07-Ni/BIT07” İnternational Journal of Hydrogen Energy, 37, 4346- 4355.
[5] Wang, S., Zhang, L., Yang, Z., Zhang, L., Fang, S., Brinkman, K., (2012) “Two-step co-sintering method to fabricate anode-supported Ba3Ca1.18Nb1.82O9_d proton-conducting solid oxide fuel cells” Journal of Power Sources, 215, 221- 226.
[6] Song, H.J., Sammes, M.N., Park, S., Boo, S., Kim, S.H., Moon, H., Hyun, H.S., (2008) “Fabrication and Characterization of Anode- Supported Planar Solid Oxide Fuel Cell Manufactured by a Tape Casting Process” Journal of Fuel Cell Science and Technology, 5, 021003-1-021003-5.
[7] Teocoli, F., Ni, W.D., Brodersen, K., Foghmoes, V.P.S., Ramousse, S., Esposito, V., (2014) “Effects of co-sintering in self-standing CGO/YSZ and CGO/ScYSZ dense bi-layers” Journal of Material Science, 49, 5324-5333.
[8] Orui, H., Nozawa, K., Watanabe, K., Sugita, S., Chiba, R., Komatsu, T., Arai, H., Arakawa, M., (2008) “Development of Practical Size Anode- Supported Solid Oxide Fuel Cells with Multilayer Anode Structures” Journal of The Electrochemical Society, 155, (11), B1110-B1116.
[9] Yoon, J.K., Ye, G., Pal, B.U., (2010) “Cost- Effective Single Step Cofiring Process for Manufacturing Solid Oxide Fuel Cells Using HSCTM Anode” Journal of Fuel Cell Science and Technology, 7, 021010-1- 021010-5.
[10] Jiangrong, K., Kening, S., Derui, Z., Jinshuo, Q., Jigang, L., (2006) “Anode-Supported IT-SOFC Anode Prepared by Tape Casting Technique” IEEE The 1st International Forum on Strategic Technology, pp.186 – 189
[11] Bao, W., Chang, Q., Meng, G., (2005) “Effect of NiO/YSZ Compositions on the Co-Sintering Process of Anode-Supported Fuel Cell” Journal of Membrane Science, 259, 103–109.
[12] Ding, J., Liu, J., (2008) “Fabrication and Electrochemical Performance of Anode-Supported Solid Oxide Fuel Cells by a Single-Step Cosintering Process” Journal of American Ceramic Society, 91, 3303–3307.
[13] Le, S., Sun, N.K., Zhang, N., Zhu, X., Sun, H., Yuan, X.Y., Zhou, X., (2010) “Fabrication and Evaluation of Anode and Thin Y2O3-Stabilized ZrO2 Film by Co-Tape Casting and Co-Firing Technique” Journal of Power Sources, 195, 2644-2648.
[14] Haanappel, C.A.V., Mertens, J., Rutenbeck, D., Tropartz, C., Herzhof, W., Tietz, F., (2005) “Optimisation of Processing and Microstructural Parameters of LSM Cathodes to İmprove the Electrochemical Performance of Anode-Supported SOFCs” Journal of Power Sources, 141, 216-226.