Doğrudan sodyum borhidrürlü yakıt pilinde proses parametrelerinin verim üzerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the influences of process parameters on direct sodium borohydride fuel cell performance
Yazar: CENK ÇELİK
Danışman: DOÇ.DR. FATMA GÜL BOYACI SAN ; PROF.DR. HALİL İBRAHİM SARAÇ
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
DOĞRUDAN SODYUM BORH DRÜRLÜ YAKIT P L NDE PROSESPARAMETRELER N N VER M ÜZER NE ETK S N N NCELENMESCenk ÇEL KAnahtar Kelimeler: Yakıt Pili, Doğrudan Sodyum Borhidrürlü Yakıt Pili(DSBHYP), Sodyum Borhidrür (NaBH4), Oksidasyon, Hidroliz.Özet: Yakıt pilleri kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjine dönüştürenelektrokimyasal cihazlardır. Yakıt pilleri genellikle hücrede kullanılan elektrolittürüne bağlı olarak polimer elektrolit membranlı yakıt pili (PEMYP), alkali yakıt pili(AYP), erimiş karbonat yakıt pili, katı oksit yakıt pili, fosforik asit yakıt pili vedoğrudan metanol yakıt pili (DMYP) şeklinde sınıflandırılmaktadır. Membranelektrolit kullanılması ve katot özellikleri ile PEMYP'ye ve DMYP'ye alkali ortamnedeniyle AYP'ye ve sıvı yakıt beslenmesi nedeniyle DMYP'ye benzerlik gösterenDSBHYP diğer yakıt pillerine göre hidrojen depolama probleminin olmaması, sıvıyakıt kullanımından dolayı emniyetli olması, elektrolitten yakıt geçişinin çok düşükolması, yüsek pil gerilimi (1.64 V) ve yüksek güç yoğunluğu (9.3 kWh/kg) gibiavantajlara sahiptir. Bu avantajlarından dolayı DSBHYP küçük ve taşınabiliruygulamalar için potansiyel aday olarak kabul edilir. Bununla beraber, sodyumborhidrürün üretildiği bor minerallerinin %65'inden fazlasına sahip olması nedeniyleDSBHYP Türkiye için ayrı bir önem arzetmektedir.Teorik olarak her bir BH4- iyonu, oksitlenmesi neticesinde sekiz elektron üretebilir.Bununla beraber anot kısmında hidrojen oluşumundan ve katota yakıt geçişindendolayı BH4- iyonunun oksitlenmesi neticesinde kullanılan elektron sayısı sekizelektrondan daha az olmaktadır. Hidroliz reaksiyonu sonucu oluşan hidrojen, sadeceyakıt verimini düşürmekle kalmaz aynı zamanda sistem tasarımında bazıproblemlerde ortaya çıkarır. Bu çalışmada farklı membran elektrot üniteleri (MEÜ)kullanılarak hazırlanmış DSBHYP'nin performansı üzerine işletim sıcaklığı, NaBH4ve NaOH konsantrasyonu, katkılı (tiyoüre, tetraetil amonyum hidroksit) yakıtkullanımı, yakıt debisi, oksitleyici debisi, oksitleyici tipi, oksitleyici nemi vekatalizör yükleme oranı gibi farklı işletim şartlarının etkileri ve farklı yakıtderişimleri için deşarj kapasiteleri incelenmiştir. Yapılan deneysel çalışmalarneticesinde en iyi performans Pt-Ru anot ve Pt katotlu MEÜ'nün kullanıldığıdurumda, oda sıcaklığında, %62'lik verimle elde edilmiştir.

Abstract:
INVESTIGATION OF THE INFLUENCES OF PROCESS PARAMETERSON DIRECT SODIUM BOROHYDRIDE FUEL CELL PERFORMANCECenk ÇEL KKeywords: Fuel Cell, Sodium Borohydride (NaBH4), Direct Sodium BorohydrideFuel Cell (DSBFC), Oxidation, Hydrolysis.Abstract: Fuel cells are electrochemical devices that directly convert chemicalenergy into electrical energy. Fuel cells are usually classified according to the type ofelectrolyte used in the cells as polymer electrolyte (PEMFC), alkaline (AFC), moltencarbonate, solid oxide, phosphoric acid (PAFC) and direct methanol fuel cell(DMFC). DSBFC is similar to PEMFC and DMFC according to the usage ofmembrane electrolyte and similar to AFC because of its alkaline media and similar toDMFC according to the usage of liquid fuel. DSBFC has many advantages withrespect to other fuel cells because it eliminates hydrogen storage problem, it usesliquid fuel with safety, low fuel crossover to the cathode side and it has high cellvoltage (1.64 V) and high power density (9.3 kWh/kg). Due to mentioned reasons,DSBFC is considered as a potential candidate for portable and mobile applications.Nevertheless, DSBFC is specifically important for Turkey as sodium borohydride isproduced from boron mines where Turkey has 65% of total World?s reserves.Theoretically, one ion of BH4- can generate eight electrons, however, the number ofelectrons utilized per ion of BH4- oxidized is less than eight electrons due tohydrogen evolution at anode side and fuel crossover. Hydrogen evolution due to thehydrolysis reaction during operation not only decreases the fuel utilization but alsocause some problems in system design. In this study, the effects of various operationparameters like cell temperature, concentration of NaBH4 and NaOH, using additivedfuels (thiourea, tetraethylammonium hydroxide), flow rate of the fuel and oxidant,oxidant type and humidty of oxidant on the performance of the DSBFC useddifferent membran electrode assembly (MEA) and discharge capacities of theDSBFC for different NaBH4 concentrations have been investigated. As a result ofthese experimental studies, the best performance was achieved by using MEA withthe Pt-Ru anode and Pt cathode with efficiency of 62 % at room temperature.