Katı Oksit Yakıt Hücrelerinin Sınıflandırılması

Yüksek çalışma sıcaklıkları ve katı halde ki yapıları KOYH‘lerinin temel özellikleridir. Bu özelliklerin kombinasyonu bir takım kendine has karakteristiklere yol açar ve üretim prosesleri, hücre-yığın dizaynlarında ki esnekliği içeren birçok avantaja sahiptir.

Katı oksit yakıt hücreleri; seramik ve metal tabakaların birleştirilmesi ile oluşturulurlar. Bu tabakalar sadece iyonik, sadece elektronik veya hem iyonik, hem elektronik iletime sahipken ayrıca tüm mekanik yükü de taşıyabilecek şekilde dizayn edilebilirler [25], [32]. Bu konuda farklı konfigürasyonları Şekil 2.7‗de gösterilmiştir. Hücreler mekanik yükü taşıyan kısımlara göre anot destekli, katot destekli vs. şeklinde adlandırılabilirler [32], [33].

12 Şekil 2.7: KOYH‘lerinde kullanılan farklı konfigürasyonlar.

Bu 5 farklı tasarıma KOYH sistemlerine ait avantajlar ve dezavantajlar tablo 1.2‘de verilmiştir [31].

Tablo 2.2. Farklı tasarımların avantaj ve dezavantajlarının karşılaştırılması.

Hücre Türü Avantajları Dezavantajları

Anot Destekli

İnce elektrolit kullanımına izin veren özelliğiyle düşük sıcaklıklarda

çalışması

Anot malzemesinin reoksidasyona uğraması ve

Katot Destekli

İnce elektrolit kullanımına izin veren özelliğiyle düşük sıcaklıklarda

çalışması

Düşük iletkenlikte olmaları ve kalınlıklarından dolayı ısı ve

kütle taşınımının daha zor olması

Elektrolit Destekli

Elektrotlarda oluşan gerilmelere karşı daha kararlı

Düşük iyon iletkenliği ve yüksek çalışma sıcaklıkları

Akım- toplayıcı Destekli

Metal destek kullanması nedeniyle güçlü yapıya sahip olmaları, İnce anot katot ve elektrolit kullanımına

elverişli olmaları

Bağlantı elemanlarının oksitlenmesi

Gözenekli Altlık Destekli

İnce anot katot ve elektrolit kullanımına elverişli olmaları

Sistemin bu fazladan tabakayla daha da karmaşıklaşması

Katı oksit yakıt hücreleri düzlemsel ve boru tipi olarak iki ayrı kategoriye ayrılırlar. Hücre geometrileri farklılık gösterebilir, düzlemsel KOYH‘ler kare veya daire şeklinde olabileceği gibi boru tipi hücrelerin çap boyutları ve şekilleri (flat yapı gibi) değişebilir. Düzlemsel yakıt hücrelerinin teorik verimi ohmik dirençler daha düşük olmasından dolayı boru tipi hücrelere göre daha yüksektir [19], [20], [31], [34].

13  Plaka Tipi Katı Oksit Yakıt Hücreleri

Yakıt hücrelerinde en çok kullanılan geometrik şekil plaka tipi yakıt hücreleridir. Anot, elektrolit, katot ve akım toplayıcı tabakaların üst üste dizilmesiyle oluşturulur. Bu geometrik şeklin avantajı hücreler arasındaki elektrik bağlantıları çok basittir ve boru tipi katı oksit yakıt hücrelerinde bulunan dışarıdan akım toplayıcılar bu geometride gerekli değildir. Dik plaka tipi yakıt hücresinde oluşan elektriksel direnç, boru tipi yakıt hücrelerinde akım toplanırken oluşan elektriksel dirençten daha azdır ve böylece daha yüksek performans elde edilir [32], [35].

Bu tip yakıt hücrelerinde gaz sızıntısı en büyük sıkıntıdır. Conta malzemesi olarak kullanılabilecek malzemeler sınırlıdır ve şu anda kullanılmakta olan yalıtım malzemelerinin büyük çoğunluğunda sızıntı problemi yaşanmaktadır. Bir diğer önemli sorun ise; farklı malzemelerin temas noktalarında yaşanan ısıl streslerdir. Plaka tipi yakıt hücrelerinin ticarileşmelerinin önündeki en önemli engeller [36];

 Hücrenin mekanik dayanıklılığı,

 Fazla ısının sistemden uzaklaştırılamaması,  Yüksek termal ve mekanik stres,

 Sızdırmazlık sorununun çözümünün zor olmasıdır.

 Boru Tipi Katı Oksit Yakıt Hücreleri

Boru tipi katı oksit yakıt hücrelerinin en büyük avantajları sızdırmazlık elemanlarına ihtiyaç duymaması, hızlı çalışma zamanları, yüksek mekanik dayanıklılıkları ve montaj kolaylıklarıdır [33]. Katı oksit yakıt hücrelerinde en büyük sorunlardan birisi olarak bilinen ve hala üzerinde yoğun çalışmaların yapıldığı konu olan yüksek sıcaklığa uyumlu uygun sızdırmazlık elemanının bulunamaması sorunu pratik olarak ve verimli bir şekilde KOYH‘nin boru tipinde tasarlanmasıyla çözülmüştür [25], [31].

14 Şekil 2.8: Borusal KOYH tasarımı.

Boru tipi KOYH‘nin en büyük handikapı, üretilen akımın toplayıcı ya gelene kadar çok uzun yol almasıdır. Artan direnç kaynaklı akımda düşüşler gözlenmekte ve toplam güç çıkışı azalmaktadır. Akımın daha az yol katmesi ve hücre verimini arttırmak amacıyla hücre boyutlarının küçültülmesi denemeleri yapılmıştır. İlk olarak Kendall ve grubu tarafından YSZ malzemesi kullanılarak elektrolit destekli küçük boyutlu hücreler üretilmiş ve bunlara mikro boru tipi KOYH adı verilmiştir [38, 39].

Şekil 2.9‘da görüldüğü gibi başlatma zamanı ile hücre boyutları arasındaki dramatik bir ilişki vardır. Boyutların küçülmesi ile hem daha çok çevrim sayısı ve hem de çok daha hızlı başlatma zamanları elde edilmiştir [40], böylece hacimsel güç yoğunlukları da artmış ve durağan uygulamalar haricinde; taşınabilir cihazlar, taşıtlar vb. hareketli sitemlerde de kullanılmasının önü açılmıştır [41], [42].

Şekil 2.9: Farklı hücre çapları için başlatma zamanı.

Düzlemsel hücrelerde olduğu gibi boru tipindekilerde anot [43], [44], katot [45], [46] ve elektrolit [47], [48] destekli olarak üretilebilmektedir. Çoğu boru tipi yakıt hücrelerinde hava veya oksijen genelde borunun dışından, yakıt ise borunun

15 içinden beslenmektedir. Bu sebeple boru tipi yakıt hücresinin dış kısmı katot malzemesinden oluşur ve içine elektrolit ile anot ince film olarak kaplanmıştır. Elektrolit ve akım toplayan levha ise boruyu dikine kesip anoda ve katoda temas edecek şekilde yerleştirilmiştir. Birçok literatürde verilen boru tipi tek yakıt hücresi Şekil 2.10 da verilmiştir. Katot üzerinde yüksek verimde oksijen iyonu oluşturma ve elektrolit üzerinden iletme verimini arttırmak için anot destekli KOYH tercih edilmektedir.

a) b)

Şekil 2.10: Boru Tipi KOYH çeşitleri. a) Katot desteli boru tipi KOYH, b) Anot destekli KOYH resimleri.

Boru tipi katı oksit yakıt hücreleri performans kaybı yaşamadan uzun süre çalışabilmekle beraber 1000 saatte performans kaybı %0.1 den azdır [36].