EKYP Hücre Bileşenleri

a) Elektrolit :

Modern EKYP elektrolitleri %40 LiOALO2 den oluşan bir matris içinde tutulan %60 karbonattan oluşur. LiOALO2 nin γ formu EKYP elektrolitinde en kararlı olanıdır ve 1 µm den küçük çaplı fiber formlardan oluşturulur. Günümüzde elektrolitler, seramik ve elektronik endüstrisinde kullanılan şerit döküm yöntemi ile üretilmektedirler. Bu süreç seramik materyallerin bir çözücü içerisinde çözünmesini içerir. Çözücü; oluşan karışımın istenen akışkanlıkta olmasını sağlamak için çeşitli organik bileşenler, katkı maddeleri ve akışkanlığı artırıcı maddeler içermektedir. Bu metodun kullanılmasıyla elektrolit ve diğer materyaller geniş alanlı olarak üretilebilmektedirler. Şerit döküm metodu katot ve anot materyallerin fabrikasyonuna da uygulanabilmekte ve yığın elektrotları 1 m2 _{alana kadar kolaylıkla} üretilebilmektedir.

Yakıt pilinde elektrolit yönetimi, yani yakıt pilinin değişik bölümlerinde elektrolit dağılımının optimum kontrolü, EKYP’de yüksek performansa ulaşmak ve dayanıklılık için kritik bir konudur.

EKYP elektrolitin, özellikle seramik matrikin Omik direnci diğer yakıt pili sistemleriyle karşılaştırıldığında çalışma geriliminin üstünde oldukça önemli ve büyük bir etkiye sahiptir. Erimiş karbonat yakıt pilinin tipik çalışma koşulları altında Omik kayıpların %70’i elektrolit kaynaklıdır ve elektrolit kalınlığına bağlı olarak kayıp formüle edilmiştir [11].

t V =0,533.

∆ (2.20)

Burada t (cm), elektrolit kalınlığıdır. Şerit döküm metodunun kullanımıyla elektrolit yapılar oldukça ince (0.25-0.5 mm) yapılabilmektedir. Bu, Omik kayıpların azaltılmasında oldukça önemli avantaj sağlar. Uzun süreli kullanımda önemli diğer nokta yakıt pilinin kararlılığıdır. Bu kararlılık elektrolit kalınlığı ile ilişkilidir. Dolayısıyla üretim sürecinde kararlılık veya düşük direnç şıklarından birinin tercih edilmesi gerekmektedir. Bu temel konu

sıvı elektrolitten faydalanmada, FAYP ve EKYP sistemlerinden elde edilebilecek güç yoğunluğunu sınırlar. EKYP sistemlerinin tipik güç yoğunluğu 650 OC sıcaklıkta 0.16 W.cm-2 kadardır.

EKYP’de hücrenin son hazırlıkları gerçekleştirilirken, ilk olarak yığın elemanları birleştirilir ve tüm paket yakıt pili sıcaklığına kadar yavaş yavaş ısıtılır. Karbonat erime sıcaklığına ulaştığında (450 oC) seramik matriste absorbe edilir. Bu işlem yakıt pilinde önemli bir daralmayla sonuçlanır. Yığının mekaniksel tasarımı yapılırken bu mutlaka göz önüne alınmalıdır. Ek olarak yığın ısıtılırken nikel anodun indirgenmiş durumda kalmasını sağlamak için anot kısmına indirgenmiş bir gaz verilmelidir.

EKYP sisteminin çalışma koşullarına ulaşması uzun bir süreçtir. PDMYP’inde yakıt pilinde bu sürecin çok kısa (saniyeler mertebesinde) olmasına karşılık, EKYP ’inde bu süreç tipik olarak 14 saatten fazladır [1].

Dikkat edilmesi gereken bir diğer husus, EKYP her ısıtılıp soğutulduğunda elektrolit yapısında zorlanmalar meydana gelir. Bundan dolayı sistemde ısıtma ve soğutma işlemleri yavaş yavaş yapılmalı ve böylece gazların karşılıklı geçişine neden olan kalıcı hasarların (çatlak oluşumu) meydana gelmesinden sakınılmalıdır. Ayrıca sistemin çalışmadığı durumlarda anodun reoksidasyonunu önlemek için anoda eylemsiz bir gaz (nitrojen gibi) verilerek anodun temizlenmesi sağlanır. Bu nedenlerden dolayı EKYP sistemlerinde termal döngülerden kaçınılmalı ve sürekli güç ihtiyacının olduğu uygulamalarda kullanılmalıdır.

b) Anot :

Günümüzde EKYP anotları gözeneklisinterlenmiş Ni-Cr/Ni-Al alaşımlardan yapılırlar. Bunlar genelde %55–70 gözenekli yapıda olup, 0.4-0.8 mm kalınlığına sahiptirler. Nikel bileşenlere, hücre çalışması esnasında sinterlenmesini önlemek için genelde %10-20 oranında krom ilave edilir. Bu EKYP anodu için büyük problem oluşturabilir; çünkü gözenek boyutlarının büyümesine neden olur, yüzey alanından kaybedilir, yığındaki sıkıştırıcı yüklerden dolayı mekaniksel bozulma olabilir. Anoda eklenen krom zaman içerisinde elektrolitteki lityum ile reaksiyona da girer ve bu sebeple elektrolitteki kayıplar artar. Bu sorun, anodun sürünme direncini artıran, bir miktar alüminyum ilavesiyle kısmen çözülebilir, böylece elektrolit kayıpları azalır. Ni-Cr/Ni-Al alaşımlı anotlar ticari olarak yeterli kararlılığa ulaşmışsa da maliyet hala yüksektir.

EKYP çalışma sıcaklığında, anot reaksiyonları katot ile karşılaştırıldığında daha hızlıdır ve geniş bir yüzey alanına ihtiyaç duymaz. Bu nedenle erimiş karbonatın anoda kısmi taşma yapması kabul edilebilir ve bu erimiş karbonatın anodu bir depo gibi kullanması şeklinde iyi bir etki olarak değerlendirilir. Erimiş karbonatın anoda kısmi taşması uzun süreli çalışma koşullarında azalan karbonatın yığına tekrar doldurulmasını sağlamış olur. Günümüzde şerit

döküm tekniği ile üretim esnasında materyallerin gözenek dağılımını kontrol etmek mümkündür. Bu şekilde küçük gözenekler elektrolite yakın, büyük gözenekler yakıt gazı kanallarına yakın olarak imal edilirler.

c) Katot :

EKYP’leri için en büyük problemlerden biri günümüzdeki nikel oksit katot materyallerinin az miktarda da olsa erimiş karbonat içinde çözünmesidir. Çözünme boyunca elektrolit içinde bazı nikel iyonları oluşur. Bunlar daha sonra elektrolit içinden anoda geçmeye çalışırlar. Nikel iyonları kimyasal olarak indirgenen şartlarda anoda doğru hareket ederken metalik nikel elektrolit içerisinde çökebilir. Nikelin çökelmesi yakıt pili içinde iç kısa devrelere neden olur ve güç kayıpları meydana getirir. Çökelmiş nikel iyonları katottan daha fazla nikel çözünmesine yol açar. Nikelin çözünmesi, CO2’nin kısmi basıncı yüksek olduğunda aşağıdaki reaksiyondan dolayı daha fazla gerçekleşecektir.

− + + → +CO₂ Ni2 CO₃2 NiO (2.21)

Günümüzde kullanılan nikel oksit katotlarda nikel çözünmesi; 1) Bazik karbonatlar kullanarak,

2) Atmosferik basınç altında çalışma ve CO2 nin kısmi basıncı katotta düşük tutularak, 3) Daha kalın elektrolit matris kullanıp Ni2+ difüzyon yolunu arttırarak,

minimize edilebilmektedir.

Yüksek basınçlarda çalışabilmek için alternatif materyaller üzerindeki araştırmalar sürmektedir. En çok üzerinde çalışılan materyaller LiCoO2 ile LiFeO2 dir. Bu iki materyalden LiCoO2 en düşük çözünme oranına sahiptir. LiCoO aynı zamanda NiO’e göre CO2’nin kısmi basıncına daha az bağlılık gösterir.