Katı oksit yakıt pillerinde elektrot/elektolit arayüzey dinamiğinin incelenmesi

Katı oksit yakıt pili (KOYP) çalışması sırasında hücre içinde meydana gelen homojen olmayan elektrokimyasal reaksiyonlar ve sınır koşulları hücre içerisinde sıcaklık farklılıklarının oluşmasına yol açmaktadır. Elektrolit ve elektrot malzemelerinin farklı ısıl genleşme katsayıları nedeniyle sıcaklık gradyenti durumunda gerilmeler oluşmakta ve hücre içerisinde ayrışma (delaminasyon) ve çatlaklar meydana gelmektedir. Bu çalışmada operasyon parametrelerinin sıcaklık dağılımına etkisi deneysel olarak araştırılmıştır. Bu çalışmada endüstriyel boyutta bir KOYP hücresinde meydana gelen sıcaklık dağılımı ve sıcaklığa bağlı performans değişimi deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Hücre içinde sıcaklık gradyentine neden olan en önemli etkinin akım yoğunluğu olduğu tespit edilmiştir. Sayısal sonuçlarla deneysel sonuçların uyum içinde olduğu anlaşılmıştır. Yapılan deneyler hücre performansının çalışma sıcaklığına bağlı olarak zamanla düştüğünü göstermiştir. Hücre içinde performans düşüşünün temellerini araştırmak için elektrolit/anot ara yüzeyi, yeterince üçlü faz bölgesi ve gözenek içeren 5x5 mikrometre boyutlarındaki bir hücre kesintinde meydana gelen ısı transferi, elektrokimyasal reaksiyonlar ve gerilmeler sayısal olarak incelenmiştir. Sayısal analizde kullanılan mikro geometri gerçek elektrot geometrisini temsil eden yapı Dream 3D programı ile üretilmiştir. Enerji ve şarj korunum denklemleri gerilme ve elektrokimyasal reaksiyonları temsil eden denklemler COMSOL Akışkanlar Mekaniği yazılımı ile çözülmüştür. 2 boyutlu sayısal model deneysel verilerle yeterince örtüşmediği için sayısal çalışma 3 boyutlu gerçekleştirilmiştir. Sayısal sonuçlar elektrolit/anot arayüzeyinde ve üçlü faz sınırlarında ısıl genleşme farkından dolayı gerilmeler oluştuğu ve sıcaklık arttıkça gerilmelerinde arttığını ve kopma riski oluşturduğunu göstermiştir. Gerilmelerin elektrot yapısı içinde elektrolit malzemesinin ve gözeneklilik miktarının arttırılması ile azaltılabileceği tespit edilmiştir.