II. İLERİ TEKNOLOJİLER ÇALIŞTAYI (İTÇ 2011) - Bilgesam

Özet
KATI OKSİT YAKIT PİLLERİ REDOKS MODELLEMESİ
Bora TİMURKUTLUK 1 ve Mahmut D. MAT 2
1 Niğde Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü
2 Vestel Savunma Sanayi, ODTÜ Teknokent
183
Çok önemli avantajlara ve ticari olarak büyük bir potansiyele sahip olmalarına
rağmen kısa olan çalışma süreleri katı oksit yakıt pilleri için önemli bir engel teşkil
etmektedir. Özellikle yaygın olarak kullanılan nikel oksit temelli anodun indirgenmesi
ve yükseltgenmesi (redoks) sırasında meydana gelen hacim değişiklikleri anot
ve pil mikroyapısına ciddi zararlar vererek önemli performans kayıplarına ve hatta
pilde kırılmalara sebep olmaktadır. Bu çalışmada, katı oksit yakıt pili çalışması
sırasında meydana gelen olayları karakterize eden bir matematiksel model geliştirilmiştir.
Anodun redoks döngüsü sırasında karşılaştığı hacim değişikliklerinin pil
performansına ve mekanik özelliklerine olan etkisi bir hasar fonksiyonu ile modele
eklenmiştir. Matematiksel model, ticari bir sonlu elemanlar programı ile sayısal
olarak çözülerek ilk simülasyon sonuçları sunulmuştur.
1. Giriş
NiO (nikel oksit) / YSZ (itriyum oksit ile stabilize edilmiş zirkonyum oksit) en
yaygın katı oksit yakıt pili (KOYP) anot malzemesi olarak dikkat çekmektedir.
NiO, hidrojen yakıtlı KOYP çalışma koşullarında çok iyi katalitik aktivite [1,5] ve
kimyasal kararlılık [6,9] göstermektedir. Ayrıca ucuz maliyetine [10,12] ek olarak
çok iyi bir akım toplayıcı olarak değerlendirilmektedir [13,14]. Bütün bu avantajlarına
rağmen NiO anodun karbonlaşma ve kükürt zehirlenmesi gibi olumsuz
özellikleri de bulunmaktadır. Özellikle hidrokarbon yakıt kullanımıyla ortaya çıkan
katı karbonlar anot aktif yüzeylerinde birikerek pil performansında önemli azalmalara
sebep olmaktadır [15,19]. Yapılan çalışmalarda anoda küçük miktarlarda
eklenen Ru [19], Mo [20,21], Au [20] ve özellikle Cu [15,17,19] ve CeO2’nin
[17,21,22] karbonlaşmayı önemli derecede azalttığı veya ortadan kaldırdığı rapor
edilmiştir. Karbonlaşmaya benzer olarak yakıt içerisinde bulunan küçük miktarlardaki
kükürt, hidrojen ile reaksiyona girerek H2S’i oluşturmakta ve bunun sonucunda
anot aktif yüzeyleri zamanla tıkanmaktadır [23,25]. Sülfür zehirlenmesi olarak
adlandırılan bu durumun önüne ise sisteme eklenen bir sülfür giderici ünite ile
geçmek mümkün olmaktadır.
Ni temelli anot için karbonlaşma veya sülfür zehirlenmesi gibi tam olarak kesin bir
çözüm yolu bulanamayan ve pil ömrünü önemli ölçüde sınırlayan bilinen en önemli
problem ise zayıf olan redoks töleransıdır. İmalat aşamasından sonra anot içerisinde