T.C.
GEBZE TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
100 WATT GÜÇ ÜRETEN MĠKRO BORU TĠPĠ KATI OKSĠT YAKIT HÜCRESĠ SĠSTEMĠNĠN ÜRETĠMĠ VE GELĠġTĠRĠLMESĠ
ALĠ MURAT SOYDAN DOKTORA TEZĠ
MALZEME BĠLĠMĠ ve MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI
GEBZE
2015
T.C.
GEBZE TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
100 Watt GÜÇ ÜRETEN MĠKRO BORU TĠPĠ KATI OKSĠT YAKIT HÜCRESĠ
SĠSTEMĠNĠN ÜRETĠMĠ VE GELĠġTĠRĠLMESĠ
ALĠ MURAT SOYDAN DOKTORA TEZĠ
MALZEME BĠLĠMĠ ve MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI
DANIŞMANI PROF. DR. ALİ ATA
GEBZE
2015
T.R.
GEBZE TECHNICAL UNIVERSITY
GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES
MANUFACTURING AND DEVELOPMENT OF A 100 Watt MICRO TUBULAR SOLID
OXIDE FUEL CELL SYSTEM
ALĠ MURAT SOYDAN
A THESIS SUBMITTED FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY
DEPARTMENT OF MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERING
THESIS SUPERVISOR PROF. DR. ALI ATA
GEBZE
2015
iv
ÖZET
Katı oksit yakıt hücreleri, diğer yakıt hücresi sistemleri ile kıyaslandıklarında düşük maliyetleri ve yakıt çeşitlilikleri ile ticarileşme aşamasında en yakın yakıt hücresi sistemlerinden biri olarak ön plana çıkmaktadırlar. Petrol sonrası senaryolara hazırlanan günümüz dünyasında, yakıt hücreleri yakın gelecek için en ümit verici, çevreci teknolojilerdir. Emisyon oluşturmamaları, modüler olmaları, ses ve ısı izi bırakmamaları gibi birçok önemli avantaj ise bu enerji sistemlerini askeri uygulamalar için en etkin çözümlerden biri haline getirmektedir. Verilen tez kapsamında yapılan çalışmalar Kale Kalıp A.Ş. firması ile birlikte gerçekleştirilen STZ 00892-11 No‘lu Bilim Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı SanTez projesi ve Avrupa birliği FP7 programı kapsamında desteklenen , Adelan Technology, University of Birmingham, Kale Kalıp A.Ş. ve Gebze Teknik Üniversitesi ortaklı NEWGEN SOFC projesi kapsamında gerçekleştirilmiştir.
Yapılan çalışmalarda ülkemizde ilk kez ekstrüzyon yöntemi ile mikro boru tipi katı oksit yakıt hücreleri üretilmiş ve bu hücrelerden 100 Watt güç üreten bir yakıt hücresi sistemi üretilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Mikro Boru Tipi Katı Oksit Yakıt Hücresi , Yakıt Hücresi, Hidrojen Teknolojileri , Yakıt Hücresi Sistemi.
v
SUMMARY
When they are compared with other fuel cell systems, solid oxide fuel cells are one of the most commercial ready fuel cell systems with their relatively low costs and fuel variety. At the stage of after gas scenarios, solid oxide fuel cells are the most efficient and environmental friendly technology for the near future. As a modular, heat and noise proof and zero emission technology, they became really popular especially on military applications. Studies conducted in this thesis were done according to the Project STZ 00892-11 with the support of Kale Kalıp A. Ş. And Ministery of Science, Industry and Technology and FP7 project NEWGEN SOFC with support of Adelan Technology UK, University of Birmingham, Kale Kalıp A. Ş.
And Gebze Technical University.
At the studies, first micro tubular solid oxide fuel cells were produced in Turkey with extrusion and a 100 Watt micro tubular solid oxide fuel cell system was built.
Key Words: Micro Tubular Solid Oxide Fuel Cells , Solid Oxide Fuel Cells, Fuel Cell Systems.
vi
TEġEKKÜR
Genç bir öğrenci olarak geldiğim üniversitemde, ikinci sınıfta tanıştığım, hayatımı tahmin bile edilemeyecek bir şekilde değiştiren ve şekillendiren, bana sadece doktora çalışmamda bilimsel olarak değil, hayatıma dokunarak, tüm yaşantıma ve hayatıma ışık tutan, desteklerini ve fikirlerini benimle paylaşmaktan hiç çekinmeyen ve bana büyük sorumluluklar verip, büyük tecrübeler edinmeme olanak sağlayan, deyim yerindeyse ikinci babam, çok değerli bilim insanı ve alim, hocam sayın Prof. Dr. Ali ATA‘ya,
Hayatını biz çocuklarına adamış ve tüm hayatı boyunca ben ve ablam için her türlü fedakarlığı yapmış olan, belki de doktora yapmamı ailede en çok istemiş olan insan annem, resim öğretmeni Necmiye SOYDAN‘a ve bugün bu doktora derecesini almam için gereken her türlü maddi manevi desteği benden hiçbir zaman esirgemeyen Mali Müşavir ve İş adamı babam Emin SOYDAN‘a,
Eğitim hayatımda bu noktaya gelmişsem bunda büyük bir pay sahibi olan ailemizin en çalışkan ve inek insanı sevgili ablam Yük. Ecz. Mine SOYDAN KEBABCI‘ya,
Benim akademik hayatta kalma isteğime sahip çıkıp hayallerimi ve hayatımı paylaştığım, sevgili eşim Bilgisayar Mühendisi Duygu SOYDAN‘a ve bu tezi vermemden hemen önce ailemize katılan ve güzel gülümsemesi ile günümü aydınlatan, ona gurur duyacağı bir baba olmak için çalışıp çabaladığım, canım oğlumuz Arda Ömer SOYDAN‘a,
Yüksek Lisans ve doktoram sırasında projelerde beraber çalıştığımız gerçek anlanmda abim gibi davranarak bana iş dünyası ve akademik hayat hakkında sayısız tecrübe kazandıran, abim M. Uğur TAŞKIRAN‘a,
Lisansüstü çalışmalarımda bana büyük bir destek veren ve akademik anlamda çok şey öğrendiğim hocam Prof. Dr. Ömer YILDIZ‘a
Yapmış olduğumuz projelere desteklerini esirgemeyen ve bizlerin motivasyonunu hep yüksek tutan Kale Grup Teknik Başkanı Osman OKYAY‘a
Ve çalışmalarımı beraber gerçekleştirmiş olduğum öncelikle kendi ekibim ve kardeşlerim Erdem İPÇİZADE, Osman Yağız AKDUMAN, Duygu AKIN ve Recep AKDENİZ‘e olmak üzere uzun yıllardır beraber çalıştığım tüm NanoTeknoloji Merkezi ekibine bana verdikleri destekten dolayı kalpten teşekkürlerimi sunarım.
vii
ĠÇĠNDEKĠLER
sayfa
ÖZET iv
SUMMARY v
TEŞEKKÜR vi
İÇİNDEKİLER vii
SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ x
ŞEKİLLER DİZİNİ xii
TABLOLAR DİZİNİ xx
1.GİRİŞ 1
2. HİDROJEN ENERJİSİ 2 2.1. Yakit Hücreleri 3 2.1.1. Yakıt Hücrelerinin Çalışma Prensibi 4 2.1.2. Yakıt Hücrelerinin Sınıflandırılması 5 2.1.2.1. Proton Değişim Membran Yakıt Hücresi (PEMYH). 6
2.1.2.2.Alkali Yakıt Hücreleri (AYH). 7
2.1.2.3.Fosforik Asit Yakıt Hücreleri (FAYH) 8
2.1.2.4.Erimiş Karbonat Yakıt Hücreleri (EKYH). 8
2.1.2.5.Doğrudan Metanol Yakıt Hücresi (DMYH). 9
2.1.2.6.Katı oksit Yakıt Hücresi (KOYH). 10
2.1.2.6.1. Katı Oksit Yakıt Hücrelerinin Sınıflandırılması 11 2.1.2.6.2. Hücre Bileşenleri 15 2.1.2.6.3. Katı Oksit Yakıt Hücresi Termodinamiği 32 2.1.2.6.4. Katı Oksit Yakıt Hücresi Performansı ve Performans 34
Kayıpları.
3. KATI OKSİT YAKIT HÜCRELERİNİN MODELLENMESİ VE ÜRETİMİ 36 3.1. Yakıt Hücresinin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamik (CFD) Analizleri 36
3.1.1. Test Modeller 36
3.1.2. Gerçek Model 39
3.1.3. Yakıt Hücresi Yığınlarının Katı Modeli Ve Sayısal Ağı 41 3.2. Glisin Nitrat Proses (GNP) Yöntemiyle Toz Üretimi 44
viii
3.3. Ekstrüzyon Yöntemiyle Mikro Boru Tipi Koyh Üretimi 48
3.3.1. Karışımların Polimer Miktarları 53
3.3.2. Dip Coating İle Kaplama 56
3.4. Yakıt Hücreleri İçin Elektriksel Testler 56
3.4.1. Elektriksel Testler İçin Yakıt Hücrelerinin Hazırlanması 56 3.4.2. Yakıt Hücreleri İçin Gaz Besleme Sistemi 60 3.4.3. Katı Oksit Yakıt Hücre Sisteminin Genel Ekipmanları. 62 3.4.4. Zırh ve Son Yakma Ünitesi Gibi Çevre Ekipmanlarının Tasarımı ve 66
Geliştirilmesi.
4. SONUÇLAR 68
4.1. Yakıt Hücresi Hesaplamalı Akışkanlar Dinamik (CFD) Analiz Sonuçları 68
4.1.1. Test Modeller 68
4.1.2. Gerçek Model 75
4.1.3. Yakıt Hücresi Yığınlarının Analiz Sonuçları 83 4.2. Glisin Nitrat Proses (GNP) Yöntemiyle Toz Üretimi Sonuçları 87
4.2.1. XRD Sonuçları 89
4.2.2. EDAX Analiz Sonuçları 94
4.2.3. Tane Boyut Analiz Sonuçları 100
4.2.4. Brunauer, Emmett and Teller (BET) Analiz Sonuçları 104
4.2.5. Termal Analiz Sonuçları 106
4.2.6. Taramalı Elektron Mikroskopu (SEM) Analiz Sonuçları 107 4.3. Ekstrüzyon Yöntemiyle Mikro Boru Tipi Koyh Üretim Sonuçları 115
4.3.1. Mini-Ekstrüder Şekillendirme Deneme Sonuçları 120 4.3.2. Extrüzyon Cihazında Yapılan Çalışma Sonuçları 125
4.3.2.1. GNP Yöntemiyle Üretilmiş ZnO Nano Tozuyla Yapılan 128 Çalışma Sonuçları.
4.3.2.2. Polimer Katkı Miktarını Azaltmak İçin Yapılan Çalışma 129 Sonuçları.
4.3.3. Ekstrüzyon Proses Sonuçları 129
4.4. Elektriksel Testler ve Sonuçları 140
5. SONUÇLAR VE YORUMLAR 149
5.1. Yapılan Çalışmalar Sonucunda Elde Edilen Tüp Üretim Yöntemi 149 5.1.1. Yakıt Hücresi Seramik Tozların GNP Yöntemi İle Üretilmesi 150
ix
KAYNAKLAR 158
ÖZGEÇMİŞ 167
EKLER 168
x
SĠMGELER ve KISALTMALAR DĠZĠNĠ
Simgeler ve Kısaltmalar
Açıklamalar
ΔG :Gibbs enerjisi
ΔE :Potansiyel fark
°C :Santigrat
Λ :Malzemenin direnci
λ0: :Malzemenin öz direnci
θ: :Gözeneklilik
AC :Alternatif Akım
Al2O3 :Alumina
AYH :Alkali Yakıt Hücreleri (AYH) B2O3 :Bor Oksit
BaO :Baryum Oksit
BET :Yüzey Alanı Ölçüm Cihazı
CaO :Kalsiyum Oksit
CFD :(Computational fluid dynamics) Akışkanlar Dinamiği analizi
CuO :Bakır oksit
CoO :Kobalt Oksit
CeO2 :Seryum oksit
DC :Doğru akım
DMYH :Doğrudan Metanol Yakıt Hücreleri DSC :Diferansiyel Taramalı Kalorimetri EDAX :Energy-dispersive X-Ray spectroscopy EDX :Enerji Dağılımlı X-Işını
EKYH :Erimiş Karbonat Yakıt Hücreleri EMF :Elektromotif kuvvet
FAYH :Fosforik Asit Yakıt Hücreleri GNP :Glycine Nitrate Process GDC :Gadalonia doped Ceria
H2S :Sülfür
HV :Vickers Sertlik Birimi
xi
I :Akım
KOYH :Katı Oksit Yakıt Hücreleri
LSM :Lantantyum stronsiyum manganate LSCF :Lantanyum stronsiyum cromia ferrite LDPE :Düşük yoğunluklu Poli Etilen
MEK :Metil-etil-keton
MgO :Magnezyum Oksit
Mpa :Megapaskal
MT-KOYH :Mikro-tüp- Katı Oksit Yakıt Hücreleri
NIST: :National Institute of Standards and Technology NiYSZ :Nickel Ytrria Stabilize Zirconia
NiGDC :Nickel Gadalonia doped Ceria
P :Güç
PE :Polietilen
PEG :Poly Etilen Glikol PMMA :Poli metil metakrilit PVA :Poly Vinly Acetat PVB :Poly Vinly Butyral
PEMYH :Polimer Elektrolit Membranlı Yakıt Hücreleri Ppm :Parts per million
SEM :Taramalı Elektron Mikroskobu SiO2 :Silisyum Oksit
SrO :Stronsiyum Oksit
S.H :Siklo Hegzanol
SOFC :Solid Oksit Fuell Cell TBM :Tersiyer Bütil Merkaptan TEM :Geçirimli Elektron Mikroskobu TGA :Termogravimetrik Analiz THT :Tetra Hidro Tiyofen
V :Voltaj
W :Maksimum iş
XRD :X-ray Diffraction YSZ :Ytrria Stabilize Zirconia
ZnO :Çinko Oksit
xii
ġEKĠLLER DĠZĠNĠ
ġekil No : Sayfa
2.1 Altı farklı yakıt hücresi sisteminin gösterimi. 5
2.2 PEM Yakıt hücresi yapısı. 7
2.3 AYH Şematik gösterimi. 7
2.4 FAYH Şematik gösterimi. 8
2.5 EKYH Şematik gösterimi. 9
2.6 KOYH Çalışma prensibi. 10
2.7. KOYH‘lerinde kullanılan farklı konfigürasyonlar. 12
2.8. Borusal KOYH tasarımı. 14
2.9. Farklı hücre çapları için başlatma zamanı. 14
2.10. Boru Tipi KOYH çeşitleri. 15
2.11. Oksijen iyonu iletkenleri için sıcaklık elektrik iletkenliği ilişkisi. 16
2.12. Nikel miktarının dirence etkisi. 19
2.13. Düzlemsel SOFC‘lerden oluşmuş hücre yığınları. 27
2.14. Mikro Boru tipi KOYH‘lerden oluşmuş yığın. 27
2.15. Monolitik KOYH şematik gösterimi. 28
2.16. Katot destekli bal peteği seklinde yakıt hücresi temsili görüntüsü. 28
2.17. Elektrik üreten bir KOYH sistemi. 30
2.18. İdeal bir yakıt hücresine ait I-V eğrisi. 35
3.1. Yakıt tüpü katı modeli. 37
3.2. Analizlerde kullanılan çözüm ağı örnekleri. 38
3.3. Yakıt hücresi katı modeli. 38
3.4. Analizlerde kullanılan çözüm ağı örnekleri. 39
3.5. Yakıt hücresi CAD modeli (izometrik görünüm). 40
3.6. Yakıt hücresi çözüm ağı. 40
3.7. Beşli yakıt hücresi yığınının katı modeli. 41
3.8. Beşli yakıt hücresi yığınının sayısal ağı. 42
3.9. Onlu yakıt hücresi yığınının katı modeli. 42
3.10. Onlu yakıt hücresi yığınının sayısal ağı. 43
3.11. Ellili yakıt hücresi yığınının katı modeli. 43
3.12. Ellili yakıt hücresi yığınının sayısal ağı. 44
xiii
3.13. Sentezlerde kullanılan yanma reaktörü. 45
3.14. GNP yöntemi ile anot malzemesinin üretimi. 46
3.15. GNP ile üretilen anot tozları. 46
3.16. Ko-ekstrüzyon yöntemiyle üretilen Anot+Elektrolit ( Ni-YSZ/YSZ ) 49 sistemin 900 °C de sinterlenme sonrası hali.
3.17. Katot kaplaması ve Gümüş akım toplayıcıları eklenmiş tekil boru tipi katı 50 oksit yakıt hücresi.
3.18. GTÜ Nanoteknoloji Araştırma Merkezi‘nde kurulan mini ko-ekstrüder 50 cihazı.
3.19. Mini-ekstrüder cihazı kontrol paneli. 51
3.20. Ko-ekstrüzyon cihazı. 52
3.21. Ko-ekstüder cihaz şematiği. 52
3.22. Ko-ekstrüder çıkış kafası. 53
3.23. Yakıt hücrelerinin kaplanması. 56
3.24. Empedans analizleri için hazırlanan anot numuneleri. 57 3.25. 650 - 900 °C aralığında empedans ve performans analizlerinin 57
yapıldığı fırın.
3.26. 650 - 900 °C aralığında empedans ve performans analizlerinin yapıldığı 57 fırın ve deney sistemi.
3.27. Yakıt hücresinin elektriksel testler için hazırlanması. 59
3.28. Elektriksel testler için sistem üniteleri. 60
3.29. Hücre test sistemleri. 60
3.30. Yakıt hücre test istasyonu. 61
3.31. Yakıt hücre sistemeleri. 65
3.32. Sülfür Giderici. 67
3.33. Proje kapsamında üretilen prototip. 67
4.1. Elektrolit yüzeyindeki akım yoğunluğu dağılımı. 68 4.2. Elektrolit yüzeyindeki Nerst potansiyel dağılımı. 68 4.3. Elektrolit yüzeyindeki aktivasyon potansiyeli dağılımı. 69 4.4. Elektrolit yüzeyindeki statik sıcaklık dağılımı. 69 4.5. Elektrolit yüzeyindeki elektrik potansiyeli dağılımı. 70 4.6. Elektrolit yüzeyindeki akım yoğunluğu-elektrik potansiyeli dağılımı. 70 4.7. Elektrolit yüzeyindeki elektrik potansiyeli dağılımı. 71 4.8. Elektrolit yüzeyindeki statik sıcaklık dağılımı. 71
xiv
4.9. Elektrolit yüzeyindeki aktivasyon potansiyeli dağılımı. 72 4.10. Elektrolit yüzeyindeki Nerst potansiyeli dağılımı. 72 4.11. Elektrolit yüzeyindeki akım yoğunluğu dağılımı. 73 4.12. Elektrolit yüzeyindeki statik sıcaklık dağılımı. 73 4.13. Elektrolit yüzeyindeki elektrik potansiyeli dağılımı. 74 4.14. Elektrolit yüzeyindeki akım yoğunluğu-elektrik potansiyeli dağılımı. 74 4.15. Elektrolit yüzeyindeki elektrik potansiyeli dağılımı. 75 4.16. Elektrolit yüzeyindeki statik sıcaklık dağılımı. 75 4.17. Elektrolit üzerindeki statik sıcaklık değişimi (4. iterasyon). 76 4.18. Elektrolit üzerindeki statik sıcaklık değişimi (8. iterasyon). 77 4.19. Elektrolit üzerindeki statik sıcaklık değişimi (10. iterasyon). 77 4.20. Elektrolit üzerindeki statik sıcaklık değişimi (16. iterasyon). 78 4.21. Elektrolit üzerindeki statik sıcaklık değişimi (22. iterasyon). 78 4.22. Elektrolit üzerindeki statik sıcaklık değişimi (26. iterasyon). 79 4.23. Elektrolit üzerindeki statik sıcaklık değişimi (28. iterasyon). 79 4.24. Elektrolit üzerindeki kinetik reaksiyon hızı değişimi (4. iterasyon). 80 4.25. Elektrolit üzerindeki kinetik reaksiyon hızı değişimi (8. iterasyon). 80 4.26. Elektrolit üzerindeki kinetik reaksiyon hızı değişimi (10. iterasyon). 81 4.27. Elektrolit üzerindeki kinetik reaksiyon hızı değişimi (16. iterasyon). 81 4.28. Elektrolit üzerindeki kinetik reaksiyon hızı değişimi (22. iterasyon). 82 4.29. Elektrolit üzerindeki kinetik reaksiyon hızı değişimi (26. iterasyon). 82 4.30. Elektrolit üzerindeki kinetik reaksiyon hızı değişimi (28. iterasyon). 83 4.31. Beşli yakıt hücresi yığınının kütlesel debi kontürleri. 83 4.32. Onlu yakıt hücresi yığınının kütlesel debi kontürleri. 85 4.33. Ellili yakıt hücresi yığınının kütlesel debi kontürleri. 86 4.34. Elektrolit olarak kullanılmak üzere üretilen GDC tozunun XRD analizi. 89 4.35. Elektrolit olarak kullanılmak üzere üretilen YSZ tozunun XRD analizi. 89 4.36. Katot malzemesi olarak kullanılmak üzere üretilen LSM tozunun 90
XRD analizi.
4.37. Katot malzemesi olarak kullanılmak üzere üretilen LSFC tozunun XRD 90 analizi.
4.38. Anot malzemesi olarak kullanılmak üzere üretilen ham 91 Ce(Co0.35Ni0.45Cu0.10V0.05Fe0.05)O3 tozunun XRD analizi.
xv
4.39. Ce(Co0.35Ni0.45Cu0.10V0.05Fe0.05)O3 ham ürünün 950 ºC de sinterlendikten 91 sonraki XRD analizi.
4.40. 950 ºC de sinterlenen Ce(Co0.40Ni0.40Cu0.05V0.10Fe0.05)O3 tozlarının 92 XRD analizi.
4.41. 6 numaralı anot numunesi tozlarının EDX analizi. 93 4.42. 950 ºC de sinterlenen 18 numaralı tozun Ce(Co0.40Ni0.40Cu0.05V0.10Fe0.05)O3 93
XRD analizi.
4.43. Anot malzemesi olarak kullanılmak üzere üretilen NiGDC tozunun XRD 94 analizi.
4.44. Anot malzemesi olarak kullanılmak üzere üretilen NiYSZ tozunun 94 XRD analizi.
4.45. Anot‘un EDAX görüntüsü. 95
4.46. 1. Alanın EDAX analizi. 95
4.47. 2. Alanın EDAX analizi. 96
4.48. 3. Alanın EDAX analizi. 97
4.49. 4. Alanın EDAX analizi. 97
4.50. Elektrolit‘ in EDAX görüntüsü. 98
4.51. 1. Alanın EDAX analizi. 999
4.52. 2. Alanın EDAX analizi. 999
4.53. 3. Alanın EDAX analizi. 100
4.54. Üretilen anot tozlarının tane boyut analizleri. 101 4.55. Üretilen anot tozlarının tane boyut analizleri. 101 4.56. 2 numaralı elektrolit kompozisyonun ortalama tane boyut dağılım grafiği. 103 4.57. Agat havanda öğütüldükten sonraki 2 numaralı elektrolit 103
kompozisyonun ortalama tane boyut dağılım grafiği.
4.58. Aglomerasyonu engellemek ve optimum dispersiyon koşullarını 104 belirlemek amacıyla nano boyutlu tozların sulu ortamda pH‘a bağlı
zetapotansiyel değerlerinin belirlenmesi.
4.59. Sentezlenen tozlara uygulanan öğütme işlemi öncesinde ve sonrasında 104 tozların sahip oldukları tane boyutu ve boyut dağılımı.
4.60. Sentezlenen tozların içerisindeki CuO miktarı değişimine bağlı olarak 105 spesifik yüzey alanı büyüklüğündeki değişim (BET yöntemi).
4.61. Üretilen anot tozlarının tane boyutu. 105
xvi
4.62. CeMeO3 toz malzemelerine ait termal analizler 107 (Me= Ni0.40-0.50, Co0.35-0.50 & Cu).
4.63. Glisin nitrat yöntemiyle sentezlenen Ce(Co0.50Ni0.45Cu0.05)O3 107 formülasyondaki tozun sinterleme öncesi ve sinterleme sonrası SEM
görüntüleri.
4.64. Glisin nitrat yöntemiyle sentezlenen Ce (Co0.45, Ni0.45, Cu0.10)O3 108 formülasyonundaki tozun sinterleme öncesi ve sinterleme sonrası SEM
görüntüleri.
4.65. Glisin nitrat yöntemiyle sentezlenen Ce(Co0.40Ni0.45Cu0.15)O3 108 formülasyonundaki tozun sinterleme öncesi ve sinterleme sonrası SEM
görüntüleri.
4.66. Glisin nitrat yöntemiyle sentezlenen Ce(Co0.35 Ni0.35 Cu0.15 V0.10 Fe0.05)O3 108 formülasyonundaki tozun sinterleme öncesi ve sinterleme sonrası SEM görüntüleri.
4.67. Glisin nitrat yöntemiyle sentezlenen Ce (Co0.40Ni0.40Cu0.20)O3 109 formülasyonundaki tozun sinterleme öncesi ve sinterleme sonrası SEM
görüntüleri.
4.68. Glisin nitrat yöntemiyle sentezlenen Ce(Co0.40Ni0.35Cu0.25)O3 109 formülasyonundaki tozun sinterleme öncesi ve sinterleme sonrası SEM
görüntüleri.
4.69. Glisin nitrat yöntemiyle sentezlenen Ce(Co0.35, Ni0.45, Cu0.10 , V0.10)xO3 109 formülasyonundaki tozun sinterleme öncesi ve sinterleme sonrası SEM görüntüleri.
4.70. Glisin nitrat yöntemiyle sentezlenen NiYSZ tozlarının farklı 110 büyütmelerde ki SEM görüntüleri.
4.71. Glisin nitrat yöntemiyle sentezlenen NiGDC tozlarının farklı 110 büyütmelerde ki SEM görüntüleri.
4.72. 6 ve 7 numaralı elektrolit numunelerine ait SEM görüntüleri. 111 4.73. 6 ve 7 numaralı elektrolit numunelerine ait 1250°C‘de sinterleme 112
sonrası SEM görüntüleri.
4.74. 1 Numaralı GDC elektrolit numunesinin farklı büyütmelerde ki SEM 113 görüntüleri.
4.75. 3 Numaralı GDC elektrolit numunesinin farklı büyütmelerde ki SEM 113 görüntüleri.
xvii
4.76. 14 Numaralı YSZ elektrolit numunesinin farklı büyütmelerde ki SEM 114 görüntüleri.
4.77. 16 Numaralı YSZ elektrolit numunesinin farklı büyütmelerde ki SEM 114 görüntüleri.
4.78. Glisin nitrat yöntemiyle sentezlenen LSCF katot numunesinin farklı 115 büyütmelerde ki SEM görüntüleri.
4.79. Glisin nitrat yöntemiyle sentezlenen LSM katot numunesinin farklı 115 büyütmelerde ki SEM görüntüleri.
4.80. Boru tipi katı oksit yakıt hücresinin üretim şeması. 116 4.81. Üretilen anot tozlarının (12. Numune) tane boyutunu ve morfolojisini 117
gösteren SEM mikroyapı resmi.
4.82. Anot yakıt hücresinin görüntüleri. 117
4.83. Tekil anot hücresinin farklı büyütmelerde ki SEM görüntüleri. 118 4.84. Ko-ekstrüzyon yöntemiyle üretilen ve 900°C de sinterlenen 119
Anot+Elektrolit sisteminin mikroyapı ve arayüzey özelliklerini gösteren SEM görüntüleri.
4.85. 900°C de sinterlenmiş SOFC sisteminin (Anot+Elektrolit+Katot) kesit 119 mikroyapısını ve arayüzey özelliklerini gösteren SEM görüntüsü.
4.86. Ko-ekstrüzyon yöntemiyle üretilen ve 900 °C‘de sinterlenen 120 Anot+Elektrolit+Katot sistemin Hidrojen gazı atmosferinde 700 °C'de ısıl işleminden sonraki hali.
4.87. Üç farklı aşaması ile deneme hücresinin üretimi. 120
4.88. Düşük yoğunluklu toz Poli Etilen (LDPE). 122
4.89. Mini-ekstrüder cihazında şekillendirilen 6 Deneme No‘lu anot çubuğu. 124 4.90. Ekstrüzyona beslenmek için hazırlanan çubukların granül hali. 124 4.91. 16 ve 17 no‘lu başlangıç malzemelerle yapılan ko-ekstrüzyon prosesi. 125 4.92. Tablo 1 deki 16 ve 17 no‘lu kompozisyonlarla üretilen tüplerin 125
sinterleme öncesi ve sonrası görüntüleri.
4.93. Tablo 1‘de ki kod 20 ve %100 PE tabakalarından oluşan tüplerin 126 sinterleme öncesi ve sonrası görüntüleri.
4.94. Ko-ekstrüzyon ile Tablo 1‘de ki 19 ve 24 kodlu kompozisyonlardan 126 oluşan tüp.
4.95. Ko-ekstrüzyon ile Tablo 1‘de ki 19 kompozisyonlardan oluşan farklı 126 çaplarda ki tüpler.
xviii
4.96. Tablo 10‘da ki 24 ve 19 kodlu kompozisyonlardan oluşan tüplerin 127 sinterlenmiş görüntüsü.
4.97. Tablo 10‘da ki 23 ve 24 kod numaralarına sahip kompozisyonlardan 127 oluşan tüp.
4.98. Tablo 3.10‘da ki 23 ve 24 kod numaralarına sahip kompozisyonlar ile 128 oluşan tüpün kırılıp sinterlenmiş hali.
4.99. ZnO tüpün ko-ekstrüzyon sonrası ve sinterlenme sonrası görünümü. 129 4.100. PE ve GDC kompozisyonuna sahip hücrelerin sinterlenme öncesi ve 130
sonrası görüntüleri.
4.101. %15 Katkı oranına sahip GDC tozlarından şekillendirilen hücrenin 131 görüntüsü.
4.102. Soldan sağa %10/%8/%8‘lik bağlayıcı oranına sahip GDC elektrolit 131 hücrelerinin görüntüleri.
4.103. % 5 PE içeren GDC tüplerinin görüntüleri. 132
4.104. Farklı bağlayıcı oranına sahip numunelerin sinterlenme sonrası 132 görüntüleri.
4.105. %15 bağlayıcı içeren GDC tüplerinin sinterlenme sonrası görüntüsü. 133 4.106. PVB (%6) ve PEG (%4) karışımından üretilen alümina tüpün sinterlenme 134
rejimi.
4.107. Alümina tüpün görüntüleri. 135
4.108. Elde edilen granüllerin farklı büyütmelerde ki SEM görüntüleri. 135 4.109. %15 PE‘li YSZ tüpün sinterleme öncesi ve 800 °C‘de sinterleme sonrası 136
görüntüleri.
4.110. Ko-ekstrüderden çekilmiş %10 polimer karışımı içeren YSZ 136 tüplerinin görüntüleri
4.111. %8 PE‘li YSZ tüplerinin görüntüleri 137
4.112. Sinterlenme için dik olarak hazırlanan anot hücreleri. 137 4.113. Dik sinterlenen anot hücrelerinin görüntüleri. 138
4.114. Sinterlenmiş hücrelerin görüntüleri. 138
4.115. Sinterleme rejimi (Anot + Elektrolit). 139
4.116. Sertlik sonucu görüntüleri. 139
4.117. Üç nokta eğme test cihazı. 140
4.118. Farklı polimer ve sinterleme sıcaklıklarında üç nokta eğme testi. 140
4.119. LSM katot malzemesinin iletkenliği. 141
xix
4.120. CeMeO3 Kimyasal formülüne sahip 1000 °C‘de sinterlenmiş yaklaşık 142
%76 yoğunluğa sahip numunelerin empedans analiz sonuçları.
4.121. Ce(Co0.30,Ni0.45,Cu0.15,V0.05,Fe0.05)O3 kimyasal yapılı anot malzemenin 143 denendiği hücrenin 750 °C‘de performans analizi.
4.122. Ce(Co0.35,Ni0.40,Cu0.10,V0.10, Fe0.05)O3 kimyasal yapılı anot malzemenin 144 denendiği hücrenin 750 °C‘de performans analizi.
4.123. Ce(Co0.35,Ni0.45,Cu0.10,V0.10)O3 kimyasal yapılı anot malzemenin 144 denendiği hücrenin 750 °C‘de performans analizi.
4.124. Ce(Co0.40,Ni0.40,Cu0.05,V0.15)O3 kimyasal yapılı anot malzemenin 145 denendiği hücrenin 750 °C‘de performans analizi.
4.125. 700 0C‘de Hidrojen atmosferinde 1 saat ısıl işlem öncesi ve sonrası 145 yakıt hücresinin resmi.
4.126. Yakıt Hücresinin anot kısmının sinterleme öncesi XRD analizi. 146 4.127. 700 0C‘de Hidrojen atmosferinde 1 saat ısıl işlem görmüş yakıt 146
hücresinin anot kısmının XRD analizi.
4.128. Anot hücresinin BET Analizi. 147
4.129. %3 Nemlendirilmiş H2‘nin yakıt olarak kullanıldığı Ni-YSZ/YSZ/LSCF 148 hücrelerinin performans grafikleri.
5.1. Optimize edilmiş tüp üretim yöntemi. 150
5.2. Kompandır cihazından elde edilen ürünler. 151
5.3. Ekstrüzyon ile elde edilen anot hücreleri. 152
5.4. Anot hücrelerinin sinterleme rejimi. 151
5.5. Anot hücrelerinin kaplama sonrası farklı büyütmelerde ki SEM 154 görüntüleri.
5.6. Üç farklı solüsyonla yapılan kaplamaların SEM görüntüleri. 152 5.7. Elektrolit kaplaması için uygulanan sinterleme rejimi. 152 5.8. Dip Coating Yöntemiyle katot tabakası kaplanan yakıt hücrelerinin 156
görüntüleri.
5.9. Katot kaplanan üç katmanlı yakıt hücrelerinin SEM 156 görüntüleri.
5.10. Katot sinterleme rejimi. 155 5.11. Perfonmans testi için hazırlanan yakıt hücreleri. 157
xx
TABLO DĠZĠNĠ
Tablo No : Sayfa
2.1. Yakıt hücrelerinin karşılaştırılması. 6
2.2. Farklı tasarımların avantaj ve dezavantajlarının karşılaştırılması. 12 2.3. Farklı anot malzemelerinin farklı gazlar altındaki performans değerleri. 20
2.4. Farklı perovskitlerin iletkenlik değerleri. 21
2.5. Kullanılan bazı katot malzemeleri ve özellikleri. 23 2.6. KOYH‘lerinde kullanılan sızdırmazlık malzemeleri. 26 2.7. Tablo 1. 7. KOYH‘lerinin diğer sistemlerle karşılaştırılması. 31
2.8. mT-KOYH yığını üreten firmalar. 32
3.1. Malzeme özellikleri. 36
3.2. Elektriksel özellikler. 37
3.3. Sınır şartları ve çalışma koşulları. 37
3.4. Mesh istatistik. 38
3.5. Yakıt hücresi boyutları. 39
3.6. Sınır şartları ve çalışma koşulları. 40
3.7. Mesh istatistik. 41
3.8. Üretilen anot tozlarının kimyasal kompozisyonları. 47 3.9. Üretilen elektrolit tozlarının kimyasal kompozisyonu. 48 3.10. Mini-ekstüder cihazında şekillendirme denemeleri yapılan başlangıç 54
malzeme kompozisyonları.
3.11. Mini-ekstüder cihazında şekillendirme denemeleri yapılan yakıt hücresi 55 tozlarının kompozisyonları.
3.12. 10 mm çapında 2 mm kalınlığında hazırlanmış peletlerin kimyasal 58 formülasyonları.
4.1. Üretilen anot tozlarının kimyasal kompozisyonları. 88
4.2. 1. Alanın elementel analizi. 96
4.3. 2. Alanın elementel analizi. 96
4.4. 3. Alanın elementel analizi. 97
4.5. 4. Alanın elementel analizi. 98
4.6. 1. Alanın elementel analizi. 99
4.7. 2. Alanın elementel analizi. 100
xxi
4.8. 3. Alanın elementel analizi. 100
4.9. Üretilen elektrolit tozlarının kimyasal kompozisyonu. 102 4.10. Mini-ekstüder cihazında şekillendirme denemeleri yapılan başlangıç 121
malzeme kompozisyonları.
4.11. Mini-ekstrüder cihazında şekillendirme denemeleri yapılan yakıt hücresi 123 tozlarının kompozisyonları.
4.12. Kimyasal formülasyonlarına göre 10 mm çapında 2 mm kalınlığında 141 hazırlanmış peletlerin porozite etkisi elimine edildikten sonraki dirençleri.
5.1. Hazırlanan solüsyonların kimyasal kompozisyonları. 153
1
1.GĠRĠġ
Elektriksel olarak iletken anot ve katot ile, iyonik iletken bir elektrolittin dizilimi ile oluşan yakıt hücreleri, hidrojen, metan, propan gibi değişik yakıtlar ile yüksek verimli olarak (ısı dahil edildiğinde % 95) enerji çevrimi yapabilen elektrokimyasal sistemlerdir. Çalışma sıcaklığına, kullandığı yakıt türüne ve kullanılan membranlara göre farklı tipleri bulunan yakıt hücreleri, sessiz, modüler ve ısı izi olmayan sistemlerdir. Günümüze kadar yapılan bilimsel çalışmalar ve ticarileşme faaliyetlerine göre en yaygın olarak kullanılan iki yakıt hücresi tipi, katı oksit yakıt hücreleri ve PEM tipi yakıt hücreleridir. Katı oksit yakıt hücreleri seramik bir iyon iletken membrana sahip olmaları, saf hidrojen yerine metan, etan, propan,bütan, doğalgaz gibi çeşitli yakıtlar ile çalışabilmeeri ve yüksek çalışma sıcaklıkları ile diğer yakıt hücresi tiplerinden ayrılırlar. Yüksek sıcaklıklarda çalışan sistemler olmaları sebebi ile PEM tipi yakıt hücrelerinde olduğu gibi yüksek maliyetli Platin, Rutenyum gibi katalizörler yerine Ni, Co gibi düşük maliyetli katalizörlerin kullanılabilmesi ve seramik malzemelerin kullanılması ile diğer yakıt hücresi tiplerine göre daha düşük maliyetli olan katı oksit yakıt hücreleri, atık ısının da kullanılması ile %90‘lara varan bir verime sahiptirler. Düzlemsel ve boru tipi olmak üzere iki ana tipi olan katı oksit yakıt hücreleri, taşınabilir ve sabit uygulamar için yeni nesil çözümler sunmaktadır. Düzlemsel uygulamalar evlerde bulunan düşük verimli kombilerin yerine, boru tipi uygulamalar ise mobil şarj istasyonları, taşınabilir güç üniteleri ve insansız hava araçları gibi hareketli uygulamalarda kendilerine bir Pazar oluşturmaya başlamışlardır. Düzlemsel hücreler ülkemize çalışılmak ile beraber, boru tipi hücrelerin farklı bir versiyonu olan mikro boru tipi sistemler ilk kez bu tez kapsamında ülkemizde çalışılmıştır. Mikro boru tipi sistemler geometrileri sayesinde hızlı başlatma zamanına (5 dk) sahip olmaları, sızdırmazlık elemanlarına ihtiyaç duymamaları ve modüler bir şekilde monte ve demonte edilebilmeleri ile günümüzün en gelecek vaat eden yakıt hücresi teknolojilerinden biri haline gelmişlerdir. Tez için yapılan çalışmalarda ülkemizde ilk kez ticari üretim stratejisine uygun olarak pilot ölçekte ve düşük maliyette üretim yapabilen bir ekstrüzyon sistemi tasarlanıp kullanılmıştır.
2
2. HĠDROJEN ENERJĠSĠ
Evrende en yaygın element olan hidrojen, evrendeki toplam kütlenin büyük bir çoğunluğunu oluşturmaktadır. Bir proton ve bir elektrondan oluşan hidrojen, oda sıcaklığında iki atomlu bir bileşik (H2) halinde gaz fazda bulunur [1].
Hidrojen gazı kokusuz ve renksizdir. Standart sıcaklık ve basınçta 83,76x10-3 kg/m3 yoğunluktadır ve bilinen en hafif elementtir. 1 atm basınçta sıvı halde bulunması için gerekli sıcaklık -252,85 °C dir. 141,9 MJ/kg ile birim kütle başına çok yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir [2].
Dünya üzerinde bolca bulunmasına rağmen, saf halde bulunmamaktadır.
Karbon, oksijen gibi elementlerle oluşturduğu bileşik olarak karşımıza çıkar [3].
Hidrojenin saf halde bulunmaması ve eldesi için enerji harcanması gerektiğinden dolayı ikincil enerji kaynağı ya da enerji taşıyıcısı olarak tanımlanmıştır. Konutlarda, taşıtlar ve sanayide bir çok kullanım alanına rahatlıkla uyum sağlayabilecek potansiyele sahiptir. Isı, elektrik ve mekanik enerjiye dönüştürülmesine müsait olması ve temiz bir enerji kaynağı olması nedeni ile geleceğin enerji kaynağı olarak görülmektedir [4].
Hidrojen aşağıda belirtilen avantajlar nedeniyle hidrojen geleceğin enerji kaynağı olarak görülmektedir [3], [4]:
Herhangi bir enerji kaynağı kullanılarak üretilebilmektedir,
Hidrojen gaz şeklinde, sıvı şeklinde veya katı halde depolanabilmektedir,
Hidrojen boru hatları veya tankerler ile uzak mesafelere taşınabilmektedir,
Değişik enerji formlarına özellikle de elektriğe diğer yakıtlara oranla daha yüksek verimle çevrilebilmektedir,
Hidrojenin üretilirken, taşınırken, depolanırken veya son kullanımda çevreye zararlı herhangi bir etkisi oluşmamaktadır,
Hidrojenin yanması veya yakıt hücresinde tüketilmesi sonucu son ürün olarak sadece su üretilmektedir. Yanma yüksek sıcaklıkta olursa havadaki azot ve oksijenden, NOx oluşabilir. Ancak bu sorun diğer yakıtlarla aynıdır ve kontrol edilebilmektedir.
3
Hidrojen, su başta olmak üzere, fosil yakıtlar, biyo-atıklar gibi faklı kaynaklar kullanılarak, steam reforming, termokimyasal, elektroliz ve radyoliz gibi çeşitli yöntemlerle üretilebilmektedir [5]- [7].
Hidrojen üretimindeki en temiz kaynak sudur, parçalanması sonucu açığa CO2, NOx gibi gazlar açığa çıkmaz, hidrokarbon içerikli bütün kaynakların kullanında karbon salınımı söz konusudur ve çevreye negatif etki kaçınılmazdır [8].
2.1. Yakıt Hücreleri
Christian Friedrich Schönbein 1838 yılında yakıttaki kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine kesintisiz çevrilmesinin temellerini atmıştır [9]. 1839 yılında William Grove, elektrolit olarak sülfürik asit çözeltisi kullanarak, hidrojen ve oksijenin tepkime sokulduğu ilk yakıt hücresini üretmiştir [10].
İlk kez ―yakıt hücresi‖ terimi Mond ve Longer tarafından 1889 yılında kullanılmıştır. Yakıt hücreleri 1959-1960 yıllarına kadar gereken ilgiyi görmemiş ve üzerinde çok çalışılmamış bir konu olarak kalmıştır. Daha sonra NASA uzay araçlarında kullanıma uygun olarak gördüğü yakıt hücreleri üzerine eğilmiş ve bu alanda yapılan cok sayıda araştırma sonucunda elektrik ve su üretmeyi başaran yakıt hücreleri geliştirmiş, Apollo Uzay programında kullanmıştır [10]. NASA‘nın bu başarısı 1960 yılından sonra araştırmcıların ilgisini yakıt hücrelerine çevirmesini sağlamıştır.
90‘lı yılların sonuna gelindiğinde dünyadaki enerji ihtiyaçlarının artması ile birlikte fosil yakıt kullanım oranıda büyük ölçüde artmış ve buna bağlı olarak da sera gazı miktarında büyük yükseliş gözlenmiştir. Dünyadan yansıya ışınların tutulmasına neden olan sera gazları küresel ısınmayı tetikleyerek iklim değişikliklerine varan sonuçlara neden olabileceği öngörülmüştür. 1997 yılında Birleşmiş Milletler İklim Değişikliği Çerçeve Sözleşmesi kapsamında Kyoto Protokolü olarak bilinen ve sera gazı azaltılması için yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasının önerildiği anlaşma dünyanın birçok ülkesi tarafından kabul edilmiştir [11], [12]. İmzalanan protokol sonrasında yakıt hücreleri dahil olamak üzere yenilenebilir kaynakların kullanımının önü açılmış ve yakıt hücreleri havacılık ve uzay uygulamaları gibi çok spesifik alanlardan, konutsal [13], [14] ve taşıma [15] uygulamaları gibi daha yaygın ve günlük hayatta daha çok karşılaştığımız alanlara taşınmıştır. Özellikle 2000‘li yıllardan sonra ticarileşme süreci hızlanmıştır.
4
Özellikle taşıtlarda kullanılan hidrokarbon kaynaklı emisyon değerlerinin düşürülmesinde, güç kaynağı olarak yakıt hücrelerinin kullanılmasının belli başlı avantajları vardır, bunlar aşağıdaki gibi sıralanabilir [10], [16]- [18]:
Yakıt olarak hidrojen kullanılması ve hidrojenin doğada bol bir şekilde bulunması,
Atık olarak saf su buharı ve ısı açığa çıkarması,
Hareketli parçaların olmaması (piston, miller vs.),
Sessiz çalışması,
Benzinli ve dizel motorlara göre veriminin daha iyi olması.
Yakıt hücreleri tüm bu avantajlarına rağmen uygulamalarının yaygınlaşmasının önünde ciddi engeller vardır [19], [20]:
Hidrojen üretim tesislerinin az olması ve depolanmasında bazı sorunların oluşması,
Üretilecek yakıt hücreli araçların henüz seri imalata geçilmemiş olmasından dolayı maliyetinin yüksek olması,
Bugün için yeterli sayıda üreticinin olmaması,
Bazı yakıtların üretilmesi ve dağıtılmasının pahalı olması.
Bahsedilen bu sorunların aşılması için ciddi çalışmalar yapılmakdatır. Tüm bu sorunların zaman içinde aşılıp, yakıt hücreleri olgun bir teknoloji haline dönüşecektir.
2.1.1. Yakıt Hücrelerinin ÇalıĢma Prensibi
Elektroliz, saf suya bırakılan iki adet elektrota uygulanan doğru akım sonucu kendisini oluşturan hidrojen ve oksijene ayrışmasıdır. Yakıt hücrelerinde ise elektrolizin tam tersi bir reaksiyon söz konusudur. Yakıt hücreleri genellikle katı metallerden olmak üzere anot ve katot olan iki elektrottan oluşur. Yakıt hücrelerinin anot kısmına hidrojen, katot kısmına ise oksijen giriş yapar. Hidrojen atomlarının proton ve elektronlarına ayrışması katalizör ile sağlanmaktadır [6].
5
H2 → 2H+ + 2e (2.1)
Hidrojenden ayrışan elektronlar elektrik akımı oluşturur, protonlar ise elektrolit içinden geçerek katota hareket eder. Elektronların devresini tamamlaması sonrası proton ve oksijen ile birleşir ve saf su buharı,ısı açığa çıkar [10].
2H+ + 2e- + 1/2O2 → H2O + Isı (2.2)
Yakıt hücrelerinin veriminin içten yanmalı motorlara göre daha yüksek olduğu görülmüştür. İçten yanmalı motorlarda verim düşüklüğünün sebebi elde edilen gücün bir kısmının hareketli parçalarda harcanması ve bir diğer nedeni ise yakıtın yanma veriminin düşük olmasıdır. Yakıt hücrelerinde hareketli parçaların olmaması dolasıyla sürtünme kaynaklı kayıplar gözlenmez. Ayrıca yakıtta tam yanma gözlenir [19].
2.1.2. Yakıt Hücrelerinin Sınıflandırılması
Yakıt Hücreleri; çalışma sıcaklıkları, kullanım alanları, verimlilikleri ve üretim maliyetleri açısından çok farklılık göstermektedirler. Genel ve yaygın olarak kullanılan sınıflandırma çeşidi, yakıt ve elektrolit yapısı temel alınarak altı ana gruba ayrılmaktadırlar [21]. Bu altı farklı yakıt hücresi sistemi için temel bilgiler Şekil 2.1‘de gösterilmektedir.
Şekil 2.1: Altı farklı yakıt hücresi sisteminin gösterimi.
6
Her hücre çeşidinin avantaj ve dezavantajları vardır ve bu doğrultuda uygulama alanlarında farklılık göstermektedirler. Yüksek sıcaklıkta çalışan türler genellikle durağan uygulamalarda tercih edilirken, hızlı tepki süreleri ve yüksek güç yoğunluğu olan türler (Tablo 2.1) ise hareketli uygulamalarda tercih edilmektedir.
Tablo 2.1: Yakıt hücrelerinin karşılaştırılması.
Fosforik Asit
Yakıt Hücresi
Katı Oksit Yakıt Hücresi
Erimiş Karbonat Yakıt
Hücresi
Proton Değişim Membran Yakıt
Hücresi
Alkali Yakıt Hücresi
Elektrolit Fosforik Asit YSZ, GDC,
SDC Karbonat Polimer İyon Değişim Filmi
Potasyum Hidroksit Güç
yoğunluğu (W/kg)
120-180 15-20 30-40 350-1500 35-105
Yakıt Türü H2, Hidrokarbonlar
H2, Hidrokarbonlar
H2, Hidrokarbonlar
H2,
Hidrokarbonlar H2 Güç Üretim
Verimi % 37-42 % 60-70 %45-60 60% %42-73
Uygulama Alanları
Ticari Uyg.
(Oteller, Hastaneler vs)
Ticari Uyg.
Sanayi Uyg.
Elektrik Santralleri
Elektrik Santralleri
Ulaşım Araçları Askeri
Sistemler
Uzay Çalışmaları
2.1.2.1. Proton DeğiĢim Membran Yakıt Hücresi (PEMYH)
PEM yakıt hücresi temel olarak elektrolit membran ve membranın iki yanında katalizör tabakasına sahip gaz difüzyon elektrotundan oluşur (Şekil 2.2). Gaz difüzyon elektrotlarında anot hidrojen ile beslenirken, katot oksijen ya da hava ile beslenir [16], [22].
7
Şekil 2.2: PEM yakıt hücresi yapısı.
PEM yakıt hücrelerinde membranın görevi anot ve katot arasında bariyer oluşturarak anottan katoda hidrojen iyonlarının taşınmasını sağlamaktır [23]. PEM yakıt hücrelerinin en önemli parçası proton iletim özelliği sağlayan polimer zardır.
Yapılan çalışmaların çoğunda polimer zarın geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Polimer zarların su ile tamamen dolu olduğu durumda yüksek verimlilikte çalıştığı ve yüksek iyonik iletkenliğe sahip olduğu görülmüştür [24].
2.1.2.2. Alkali Yakıt Hücreleri (AYH)
Alkali yakıt hücresinde elektrolit olarak potasyum hidroksit (KOH) kullanılmaktadır ve elektrotta hidrojen molekülleri elektron vererek iyon formuna dönüşür. Potasyum hidroksit elektrolitinden geçip yakıt elektrotuna ulaşan hidrojen iyonları oksijen molekülü ile suyu oluştururken,açığa çıkan elektronlar dış devre ile taşınırlar [25]. Şekil 2.3‘de hücrenin çalışma şekli görülmektedir. Çalışma sıcaklıları 80 oC civarındadır ve verimlilikleri % 42-73 arasındadır [26].
Şekil 2.3: AYH Şematik gösterimi.
8
2.1.2.3. Fosforik Asit Yakıt Hücreleri (FAYH)
Fosforik asit yakıt hücrelerinde elektrolit olarak termal, kimyasal ve elektrokimyasal kararlığa sahip, düşük uçuculuktaki inorganik fosforik asit kullanılır.
Yakıt hücresi 170-210 °C sıcaklıkta ve 1-10 bar basınç aralığında çalışmaktadır [27].
Şekil 2.4: FAYH Şematik gösterimi.
Basit dönüşüm sağlamaları ve düşük sıcaklıklarda çalışmalarından dolayı fazla gelişim gösteren bu yakıt hücreleri diğer yakıt hücrelerine göre daha az verimlidirler (%37-42). Ayrıca düşük sıcaklıkta çalışmaları dolayısıyla atık ısı kullanımı sınırlıdır.
Şekil 2.4‘de hücrenin çalışma şekli şematik olarak görülmektedir [25].
2.1.2.4. ErimiĢ Karbonat Yakıt Hücreleri (EKYH)
Erimiş karbonat yakıt hücreleri atık gazlardan ısının geri kazanımına uygun çalışma sıcaklığına sahip olma, hızla inşaa edilenilme, ilk yatırım maliyetinin düşük olması, küçük tesis alanı gerektirmesi yanında yüksek verimlilikleri ile elektrik üretimi için oldukça uygundurlar [25], [26]. EKYH güç üretim verimlilikleri yaklaşık
%50 civarındadır. Erimiş karbonat yakıt hücrelerinde eridikleri zaman iyonik iletim gösteren LiKCO3 ve LiNaCO3 gibi karbonatlar elektrolit olarak kullanılmaktadır. Bu hücreler yakıt dönüşüm hücresi gerektirmedikleri gibi yüksek sıcaklıkta çalışmalarından dolayı doğalgaz ve hidrokarbon yakıtların bu hücrelerde dönüşümü mümkündür [21], [25].
9
Şekil 2.5: EKYH Şematik gösterimi.
2.1.2.5. Doğrudan Metanol Yakıt Hücresi (DMYH)
PEM yakıt hücrelerinin bir çeşidi olan doğrudan metanol yakıt hücresi proton değiştiren membran kullanarak PEMYH‘lerinde olduğu gibi yüksek hacimde hidrojen depolama sistemine ihtiyaç duymadan metanolü doğrudan kullanabilen bir yapıya sahiptir.Düşük sıcaklıkta çalışan bu hücrelerde metanol anotta CO₂ ve hidrojen iyonuna dönüşür.Hidrojen iyonları Pem yakıt hücrelerinde olduğu gibi oksijen ile reaksiyona girer. DMYH tipi yakıt hücrelerinde anot ve katotta gerçekleşen reaksiyonlar aşağıda verilmiştir [27];
Anot: CH3OH (sulu) + H2O (sıvı) CO2 (gaz) + 6H+ (sulu) + 6e- (2.3)
Katot: 3/2O2 (gaz) + 6H+ (sulu) + 6e- 3H2O (sıvı) (2.4)
Net: CH3OH(sulu)+3/2O2(gaz) CO2 (gaz) + 2H2O (sıvı) (2.5)
Verimlikleri %40 civarında olan bu hücreler yüksek çalışma sıcaklığına sahiptirler (yaklaşık 120°C). DMFC yakıt hücrelerinin dezavantajı metanolün düşük sıcaklıkta karbondioksit ve hidrojene dönüşümü için daha yüksek miktarda platin katalizörüne ihtiyaç duyulması ve bununda maaliyeti artırmasıdır [28]. En öenmli avantajı ise sıvı yakıt kullanımı sağlaması ve reformer ünitesi olmadan çalışabilmesidir [26], [28].
DMYH‘lerinde proton değiştiren membranların başlıca işlevleri, proton iletken olmaları, metanol bariyeri olmaları ve anot ve katot arasında mekanik ayırıcı özelliğe
10
sahip olmalarıdır. Günümüzde nafyon gibi perflorosülfon iyonomer membranlar PEMYH uygulamalarında en çok kullanılan membran çeşididir fakat bu membranların istenmeyen metanol geçirğenliği ve yüksek maaliyeti kullanımını sınırlandırmaktadır [18], [24], [26].
2.1.2.6. Katı Oksit Yakıt Hücresi (KOYH)
Katı Oksit Yakıt Hücreleri, elektrolit ve elektronları metal-oksit (seramik) olan ve yüksek sıcaklıkta çalışan yakıt hücrelerdir. Yakıt olarak H2 yerine metan, etan, doğalgaz, CO2 kullanılabilirliği, oksitleyici olarak ise O2 yerine CO, CO2 gibi yakıtların kullanımı diğer yakıt hücrelerine göre avantaj sağlamaktadır [29].
KOYH‘lerinde oksijen iyonu ileten elektrolit kullanılır.
Yakıt hücrelerinin kullanımda avantajları olduğu gibi dezavantajları da bulunmaktadır. 600-1000°C çalışma sıcaklığına sahip katı oksit yakıt hücreleri maliyeti yüksek katalizörlere ve yakıt gazlarına ihtiyaç duymadan yüksek reaksiyon hızlarında çalışabilmesi dolayısıyla diğer hücrelere kıyasla kolaylık sağlar. Seramik bileşenlerin pahalı olması, üretim süreçleri ve çalışma için ilave sistemlerin gerekliliği ise bu hücrelerin dezavantajıdır. Yakıt ısıtma ünitesi ve karmaşık soğutma sistemi gereksinimi ise bu hücrenin ilk kurulumunu zorlaştırmaktadır [27].
Şekil 2.6: KOYH Çalışma prensibi.
KOYH‘nin çalışma prensibi Şekil 2.6‘da görülmektedir. 2H2 + O2 yakıt hücresinin temel reaksiyonu olup, anot ve katotta ayrı ayrı adımlarla gerçekleşir.
Katotta reaksiyon sonucu indirgenen oksijen iyonları katı elektrolit içinden anot
11
kısmına aktarılır, anotta beslenen hidrojen gazı ise yükseltgenerek elektrolit yoluyla gelen oksijenlerin tepkimesi sonucu su ve elektron açığa çıkar. Reaksiyon sonucu açığa çıkan elektronlar dış akım devresi ile katota geçmektedir [30].
Anot: 2 H2 + 2 O2 2 H2O + 4 e- (2.6)
Katot: O2 + 4 e- 2 O2 - (2.7)
Net Tepkime: 2 H2 + O2 2 H2O (2.8)
KOYH‘leri büyük güç santralleri ve kojenerasyon sistemlerinde kullanılır.
Siemens-Westinghouse, Power Group tarafından 25 kW‘lık KOYH sistemleri geliştirilmiştir. Bu sistemler 9.000 saat ve 13.000 saatlik testlerini sürdürmektedirler.
En uzun test süresine sahip olan sistem 2000 yılında Almanya‘da Meteorit Park, Fuel Cell Pavilion‘daki 100 kW‘lık KOYP sistemidir. Bu sistem yaklaşık 16.600 saatlik test periyodunu tamamladıktan sonra taşınarak başlatılmış ve halen çalışmaya devam etmektedir. 2007‘de Milli Yakıt Hücre Araştırma Merkezi, Kaliforniya‘da kurulan 220 kW‘lık kojenerasyon sistemi çalışmaya devam etmektedir. 200 kW‘lık KOYH ve 20 kW‘lık gaz tribününden oluşan sistemin verimi yaklaşık %55 civarındadır [31].
2.1.2.6.1. 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].
2.1.2.6.2. Hücre BileĢenleri
Elektrolit, anot ve katot, KOYH‘lerinin birim elemanlarını oluşturmaktadır.
Birim hücreleri birbirine bağlamak için akım toplar (interkonnektör) kullanılır ve paralel veya seri bağlı birim hücreler (stack) yakıt hücre sistemlerini oluşturur [14, 25]. Elektrolit iyonik iletken seramiklerden yapılır ve temel görevi hücrede oksijen iyonlarının katottan anoda iletilmesini sağlamaktır.Gözenekli yapıdaki anot ve katotlar genel itibariyle seramik-metal (sermet) kompozit sayılabilecek yapıya sahiptir. İyonlaşma sonucunda elektrodlarda açığa çıkan elektronları ileten metalik yapı, seramik iskelet ile elektrolite bağlıdır. İnterkonnektörler elektrotlardan topladığı elektronları (elektrik akımı) dış akım devresine ileten seramik ve metalik yapıda elektriksel iletkenliği olan malzemelerdir [33], [34].
16
Elektrolit
Temel özelliği iyon iletkenliği olan elektrolitin kütle taşınımını engellemek ve elektrotlar arasında elektriksel yalıtımı sağlamak gibi görevleri de vardır. Katı oksit yakıt hücrelerinde elektrolitin yüksek işlem sıcaklıklarında oksitleyici ve redükleyici ortamlara karşı kararlı olması ve yüksek iyonik iletkenlikle birlikte yüksek yoğunluklu (dens) olması gerekir [31]. En yaygın kullanılan malzemeler ZrO2, CeO2
ve LaGaO3 tabanlı bileşiklerdir [49]. Elektrolit cinsi ve kalınlığı hücrenin çalışma sıcaklıklarına doğrudan etkisi vardır.
Katı oksit yakıt hücresi için bilinen en eski elektrolit malzemesi ZrO2‘dir.
Y2O3, CaO, MgO, Sc2O3, Nd2O3 vb. bileşikler ile doplanarak oksijen iyon iletkenliği arttırılıp, oda sıcaklığında stabil fazlara dönüştürülür [50]. Florit yapılı Y2O3 ile stabilize edilmiş ZrO2 (YSZ), en yaygın kullanılan elektrolit çeşididir. Çalışma sıcaklığı kalınlığına bağlı olarak 600-1000oC arasında değişebilmektedir [51].
Şekil 2.11. Oksijen iyonu iletkenleri için sıcaklık elektrik iletkenliği ilişkisi.
Seryum tabanlı elektrolitler, KOYH çalışma sıcaklığının azaltılması için alternatif bir elektrolit olarak öne çıkmaktadır. Seryum stabilize zirkon gibi florit yapıdadır. Katkılı seryum sistemlerinin iletkenliği katkının çeşidine ve konsantrasyonuna göre değişir. Gadolinyum oksit, skandiyum oksit gibi bileşiklerle katkılanmış Seryum oksitler çalışma sıcaklıklarını 5000C ye kadar indirebilmektedir [52].
Katkılı zirkon ve seryum gibi florit yapılı elektrolitlere ek olarak florit yapılı olmayan Perovskitler, bownmilleritler ve hekzagonal yapılı oksitlerin iyonik iletkenlik değerleri KOYH için kullanıma uygun olduğu belirlenmiştir [31].
17
Bizmut oksit kompozisyonlarının 600°C ‘nin altında iletkenlikleri YSZ‘ye göre daha iyidir. Bununla birlikte diğer oksitler elektron iletkenliği, yüksek maliyet ve üretim zorluklarından dolayı dezavantajlara sahiptirler. Elektrolit olarak kullanılabilecek bir başka malzeme lantan gallat (LaGaO3) gibi perovskit yapılardır [31].
Sr ve Mg katkılı LaGaO3‘ün oksijen iyonu iletkenlikleri YSZ veya seryum temelli elektrolit malzemelere göre daha yüksek iken Bi2O3 temelli oksitlere göre daha düşüktür. Bununla birlikte Bi2O3 temelli elektrolitlerde elektron iletkenliği ve termal sıcaklıklara karşı dayanıksız olması problem teşkil etmektedir. Çift doplanmış LaGaO3 iyonik iletkenlik açısından katı oksit yakıt hücrelerinde elektrolit malzemesi olarak umut vericidir [31], [53].
LSGM özellikleri katkılanarak geliştirilebilir. Sr yerine Ba ilave edildiğinde benzer iletkenlik değerleri görülürken, Ca, Ni ve Fe katkılanarak iletkenlikte artış, Cu ve Mn ilavesiyle azalma gözlenmiştir [31], [53].
Bilinen en hızlı iyon iletkenleri ya kübik yapıda ya da yalancı kübik yapıya sahiptir. Bu yüzden yüksek iyon iletimi için gerekli olan en temel esas kafeste simetri olması gerekir. Birkaç istisna dışında oksijen iyonu iletkeni olarak hekzagonal mineraller ilgi çekicidir, Nd10Si6O27 bileşikleri bu yapıdadırlar [24].
600°C‘nin altında La10Si6O27‘in iletkenliği klasik oksijen iyonu iletkenlerine göre daha yüksektir. La10Si6O27‘de oksijen kanalları şeklinde yapılar mevcuttur. Bu kanallar ile yüksek oksijen iyonu iletimi sağlanabilir. Bunun yanında oksijen kısmi basıncı sınırlayıcı bir rol oynamaktadır. La2GeO5‘de daha geniş kısmi oksijen basıncı aralığında yüksek oksijen iyonu iletkenliği sağlamaktadır. La2GeO5 monoklinik kristal yapıdadır. Bu iki tip oksijen içerir. Birincisi Ge ile kovalent bağ yaparak tetragonal yapıdaki GeO4‘leri oluşturur. Diğeri La ile GeO4 arasında köprü oluşturur.
Bu bağları düşündüğümüzde hareket eden oksijen atomu köprü oluşturan oksijen atomu olduğu görülür [33].
Anot
Anot elektrodu aynı zamanda yakıt elektrotu olarak da adlandırılır ve elektrolitten geçen iyon buraya gelerek yakıtı oksitler. KOYH‘lerde yakıt elektrotu malzemelerinin; yakıttaki redükleyici ortamlara karşı kararlı olması, elektron iletiminin ve porozitenin yakıtın reaksiyon yüzeyine taşınmasına izin verecek ve
18
oksitlenen yakıt ürünlerinin çıkışına izin verecek yeterlilikte olması beklenir [26], [29], [31], [33].
Anot katı oksit yakıt hücrelerinde metalik katalizör ve seramik iskeletten yapılan bir sermetten oluşur. Örneğin; Ni-YSZ anotlarda, YSZ metal katalizörler için destek görevi görürken, termal genleşme katsayısının elektrolitle uyumluluğunu sağlar. Anot bileşenleri yüksek poroziteye (%20-40) sahiptir [33], [50].
Anot ve elektrolit yüzeylerinde hücre veriminin düşmesine neden olan ohmik kutuplaşma kayıpları var gözlenmektedir. Bunu azaltmak için anodun mekanik, yüzey alanı, elektriksel iletkenlik ve iyonik iletkenlik gibi özellikleri geliştirilmelidir.
Anot bileşenine seryum ilave edilerek anot sıcaklık çevrimi ve redoks toleranslarını geliştirilebilir. Seramik destek malzemesinin tane boyutu kontrol edilerek indirgeyici atmosfer şartları altındaki anodun stabilitesi arttırılabilir. Son zamanlarda metanın doğrudan oksidasyonunu artıran yeni seramik anotlar dikkatleri çekmiştir. Örnek olarak Zr ve Y gibi elementler eklenmiş Gd katkılı seryum ve çeşitli TiO2 temelli sistemler verilebilir [54]. Bu tür anotlarda elektron ve oksijen iyon iletimi bir arada gözlenir, böylece üçlü faz sınırları arttırılarak reaksiyon kinetiği hızlandırılır ve verimlilik artar [27], [31], [50].
Katı oksit yakıt hücrelerinde anot malzemesi olarak çeşitli katalizörler kullanılmaktadır. Günümüzde en yaygın olarak kullanılan anot malzemesi Ni- YSZ‗tir. Seramik destek malzemesi olarak gadoliniyum ve skandiyum elementlerle katkılanmış Seryum oksitli anot bileşenleride yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu malzemelerin en yaygını Ni-GDC‘dir. Yürütülen çalışmalarda iki malzemenin farklı malzemelerle katkılanarak performans değerleri optimize edilmeye çalışılmaktadırlar. Yaygın kullanılan bu iki malzemenin dışında da birçok malzeme denenmektedir [25], [31].
Yüksek sıcaklılarda indirgeyici atmosferlere dayanıklı olması ve YSZ elektrolit ile termal eşleşmelerinin çok yakın olması sebebiyle Ni-YSZ en yaygın kullanılan malzemelerden biridir. Özellikle diğer anot malzemeleri ile karşılaştırıldığında Ni- YSZ‘nin ucuz olması en yaygın kullanılan malzeme olmasındaki nedendir. Üretim aşamasında nikel ve YSZ arasında tepkime oluşmamaktadır. Oluşturulan nikel ağ elektriksel iletim ve hidrojenin yükseltgenmesi için katalizör görevini üstlenirken;
YSZ ise Ni tanelerinin homojen dağıtılması için destek malzemesi ve O-2 iyonun anot içerisinde üçlü faz bölgelerine iletilmesi görevini üstlenir [33].
