Cold sintering of sm doped ceria - sodium carbonate nanocomposite electrolytes for sofc applications
Koyh uygulamaları için sm katkılı seryum – sodyum karbonat nanokompozit elektrolitlerin soğuk sinterlenmesi
- Tez No: 915699
- Danışmanlar: PROF. DR. HÜSEYİN YILMAZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Seramik Mühendisliği, Science and Technology, Ceramic Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Gebze Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 130
Özet
Bu tez, Katı Oksit Yakıt Hücreleri (SOFC) için yenilikçi elektrolit malzemelerin Soğuk Sinterleme Prosesi (CSP) aracılığıyla geliştirilmesini araştırmaktadır. Geleneksel üretim yöntemlerinden kaynaklanan düşük yoğunluk, sodyum karbonatın dekompozisyonu ve tane kabalaşması gibi problemlere çözüm getirmeyi amaçlayan çalışmada, farklı oranlarda Na₂CO₃ içeren serya (CeO2) bazlı nanokompozit elektrolitler üzerine odaklanılmıştır. Düşük sıcaklıklarda çalışan CSP tekniği, iletkenlik açısından kritik olan nano ölçekli yapıyı korurken yüksek yoğunluk elde etmeyi hedeflemektedir. Samaryum katkılı serya (SDC)-Na₂CO₃ nanokompozitlerin CSP ile yoğunlaştırılması ayrıntılı şekilde sunulmuştur. Deneysel sonuçlar, CSP yönteminin 200 °C altındaki sıcaklıklarda ≥% 97 kısmi yoğunluklara ulaşarak geleneksel sinterleme yöntemlerini önemli ölçüde geride bıraktığını göstermektedir. Karbonat miktarı ile farklı çözücülerin (saf su ve etilen glikol) mikro yapısal ve elektriksel özellikler üzerindeki etkisi sistematik olarak araştırılmıştır. Nemlendirme yöntemi ve karbonat konsantrasyonunun hem yoğunluk hem de iletkenlik üzerinde belirleyici olduğu bulunmuştur. Ağırlıkça % 20 karbonat içeriğine sahip elektrolitler, katot/elektrolit/katot yarım hücre konfigürasyonunda test edilerek 600 °C'de 68 mS/cm seviyesinde iyonik iletkenlik göstermiştir. İndirgen atmosfer (H₂) altında bu değer 0.13 S/cm'ye kadar yükselmiştir. Ayrıca, anot, elektrolit ve katot katmanlarının CSP yoluyla tek adımda üretildiği KOYH hücrelerinin üretimi başarıyla gerçekleştirilmiştir. Yapılan tam hücre testleri 534 mW/cm²'lik bir güç yoğunluğu elde edildiğini ortaya koymuştur. Çalışmada ayrıca, seramik-karbonat arayüzünde oluştuğu varsayılan süperiyonik iletim yolunun varlığı araştırılmıştır. Ancak bu süperiyonik iletim mekanizmasına dair doğrudan deneysel bir kanıt elde edilememiş olup, daha ileri çalışmalara ihtiyaç duyulmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis investigates the development of innovative electrolyte materials for Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) through the Cold Sintering Process (CSP). The study aims to address challenges associated with conventional fabrication methods, such as low densification, sodium carbonate decomposition, and grain coarsening, by focusing on ceria-based nanocomposite electrolytes containing varying amounts of Na₂CO₃. The CSP technique, which operates at low temperatures, aims to achieve high densification while preserving the nanoscale structure that is critical for ionic conductivity. The densification of samarium-doped ceria (SDC)-Na₂CO₃ nanocomposites via CSP is presented in detail. Experimental results demonstrate that the CSP method achieves relative densities of ≥97 % at temperatures below 200 °C, significantly outperforming conventional sintering techniques. The effects of carbonate content and different transient solvents (deionized water and ethylene glycol) on microstructural and electrical properties were systematically investigated. It was found that both the humidification method and carbonate concentration play a critical role in determining the densification and conductivity. Electrolytes with 20 %wt. carbonate content tested in a cathode/electrolyte/cathode half-cell configuration exhibited ionic conductivity of 68 mS/cm at 600 °C. Under a reducing atmosphere (H₂), this value further increased to 0.13 S/cm. Furthermore, single-step fabrication of full SOFC cells integrating the anode, electrolyte, and cathode layers via CSP was successfully achieved. Full-cell tests demonstrated a power density of 534 mW/cm². The study also explored the hypothesized superionic conduction pathway at the ceramic-carbonate interface. However, no direct experimental evidence of this superionic pathway could be obtained, indicating that further investigation is required.
Benzer Tezler
- Synthesis and characterization of hafnium boride-based ceramic powders
Hafniyum borür-esaslı seramik tozlarının sentezlenmesi ve karakterizasyonu
NAZLI AKÇAMLI
Doktora
İngilizce
2016
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL DUMAN
- Low temperature sintering of zno-based ceramics and investigation of their varistor applications
Çinko oksit esaslı seramiklerin düşük sıcaklıklarda sinterlenmesi ve varistör uygulamalarının incelenmesi
GÖKÇE ÖZARSLAN
Doktora
İngilizce
2022
Seramik MühendisliğiEskişehir Teknik ÜniversitesiSeramik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ENDER SUVACI
- Cold sintering process on molybdenum disilicide and graphite composite electrodes
Molibden disilisit ve grafit kompozit elektrotlarına soğuk sinterleme yönteminin uygulanması
SELDA NAYİR
Doktora
İngilizce
2020
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CÜNEYT ARSLAN
- Production and characterization of ceramic components via current sintering techniques
Güncel sinterleme teknikleri ile seramik bileşenlerinin üretimi ve karakterizasyonu
LEVENT KARACASULU
Doktora
İngilizce
2023
Seramik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÇEKDAR VAKIF AHMETOĞLU
DOÇ. DR. UMUT ADEM
- Anot destekli YSZ/NiO-YSZ katı oksit yakıt hücrelerinin soğuk sinterleme ile üretilmesi
Production of anode supported YSZ/NiO-YSZ solid oxide fuel cells by cold sintering
TUĞÇE UCUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Metalurji MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN YILMAZ