Combinatorial development of LSF-based cathode materials for intermediate temperature solid oxide fuel cells

Bu tez, katı oksit yakıt pilleri (KOYP) için LSF bazlı kompozit katotların geliştirilmesini konu almaktadır. Katot, LSM, LSF ve ScSZ' den oluşacak tarzda kombinatoryal yaklaşımla sıçratma-çöktürme yöntemi ile sentezlenmiştir. Elektrolit olarak, skandiyum oksit katkılı zirkonyum oksit kullanılmıştır. Her oksit için iletkenlik ve termal genleşme ile ilgili detaylı taramalardan sonra seçilen stokiyometriler LSF, LSM ve ScSZ için sırasıyla La0.8Sr0.2FeO3-δ , La0.5Sr0.5MnO3-δ ve Sc0.15Zr0.85O2-δ olmuştur. ScSZ elektrolit tozu, nitratlarından Pechini yöntemi ile 900 0C de kalsinlenerek üretilmiştir. Tipik olarak 2mm kalınlığındaki elektrolit diskler presleme ve 1500 0C'de sinterleme yöntemiyle üretilmiştir. Bu yöntemle üretilen elektrolitlerde iyonik iletkenlik 600 0C'de 3.5x10-4 S.cm-1 olarak tespit edilmiştir. Katot sentezi her üç üretecin LSM, LSF ve ScSZ eşzamanlı sıçratılması ile sentezlenmiştir. Üçgen geometrideki üç üreteç üzerinde, gene üçgen geometride toplam 21 elektrolit altlık üzerine katot kaplanmıştır. Bu geometride elde edilen katotlar LSM-LSF-SCSZ üçlü diyagramında geniş bir alanda dağılım göstermişlerdir. Katotların performansı simetrik hücreler üzerinde elektrokimyasal empedans spektroskopisi kullanılarak 600-800 0C arasında 50 0C aralıklarla ölçülmüştür. Alan spesifik direnç (ASR) değerleri 600 0C'de katot kompozisyonuna bağlı olarak 29 ila 676 ohm.cm2 arasında bulunmuştur. 800 0C'de bu değerler 0.33 ile 5.55 ohm.cm2 aralığındadır. ASR değerleri açısından en iyi katot kompozisyonu LSM0.750LSF0.125ScSZ0.125 ve yakın kompozisyonlar olarak tespit edilmiştir. Bu kompozisyonda elde edilen 0.33 ohm.cm2 değeri, katodun 800 0C ye yakın sıcaklıklarda kullanılabileceğini göstermektedir. Çalışma sıcaklığını daha düşük sıcaklıklara düşürmek için LSM'nin yerine hem iyonik hem elektronik iletkenlik özelliği bulunan ruddlesden-popper tipi bir oksit ile değiştirilmesinin uygun olacağı düşünülmüştür. Çalışma sıcaklığında böyle bir düşüşü sağlama potansiyeli olan LaSr3Fe3O10-δ (rp-LSF) katot malzemesinin LSM yerine kullanılması önerilmiştir.