Development of micro-tubular solid oxide fuel cell membrane electrode assembly for mobile applications

Bu tez kapsamında, anot destekli mikro-tüp katı oksit yakıt pilinin sayısal ve deneysel optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Sayısal çalışmalar kapsamında matematiksel modelin deneysel sonuçlarla doğrulanmasını takiben bir dizi üretim parametresi optimize edilmiştir. Bu kapsamda tabaka kalınlıkları ve gözeneklilikleri ile mikro-tüp geometrisi üzerine yoğunlaşılmıştır. Deneysel çalışmalarda ise öncelikle sinterleme plakasının etkisi incelenerek mikro-tüplerin derinlik/mikro-tüp çapı oranı 0,5 olan V tipi kanallara sahip bir plaka üzerinde sinterlenmesine karar verilmiştir. Daha sonra anot destek mikro-tüp ve elektrolit birlikte sinterleme sıcaklığı, elektrolit daldırma kaplama çamuru reçine tipi, toz oranı ve daldırma kaplama süresi, katot sinterleme sıcaklığı vb. üretim parametreleri sistematik olarak optimize edilmiştir. Baz hücreden elde edilen 0,136 W/cm2 maksimum güç yoğunluğu, 0,489 W/cm2 değerine çıkarılarak performansta iki kattan daha fazla bir iyileşme sağlanmıştır. Daha sonra optimize edilen bu mikro-tüpler kullanılarak 12 hücreli bir stak imal ve test etmiştir. Staktaki her bir hücre, tek hücre performansına çok yakın bir performans sergilemiş ve 800 °C çalışma sıcaklığında stak ~26 W maksimum güç ortaya koyarak başarılı bulunmuştur.In this thesis, numerical and experimental optimization of anode supported micro-tube solid oxide fuel cell is performed. Following the validation of the mathematical model with experimental results, a number of production parameters are optimized within the scope of numerical studies. In this respect, layer thickness and porosity and micro-tube geometry are studied. In the experimental studies, firstly the effect of sintering plate is examined and it is decided to sinter the micro-tubes on a plate having V-type channels with depth / micro-tube diameter ratio of 0.5. Then, significant fabrication parameters including anode support micro-tube and electrolyte co-sintering temperature, electrolyte dip coating slurry resin type, solid powder ratio and dip coating time, cathode sintering temperature etc. are systematically optimized. The maximum power density of 0,136 W/cm2 obtained from the base cell is increased to 0.489 W/cm2, resulting in more than twice improvement in the performance. A stack with 12 optimized cells is then fabricated and tested. Each cell in the stack performs very close performance compared to their single cell performances, thus the stack is found to be successful by exhibiting a maximum power of ~ 26 W at the operating temperature of 800 ° C