Vanadyum redoks akış bataryalarda kullanılan elektrotların iyileştirilmesi ile ilgili deneysel ve sayısal çalışma
Experimental and numerical study on improvement of electrodes used in vanadium redox flow batteries
Yazar: MERT TAŞ
Danışman: DOÇ. DR. GÜLŞAH ELDEN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu tez çalışması, grafit kumaş elektrotu iyileştirmek için yapılan termal uygulama ve
elektrokatalizör kullanımının etkileri üzerine hem deneysel hem de sayısal kombine bir
çalışmadır. Ticari olarak çok tercih edilen elektrotların performans, yük ve kütle transfer
davranışları kıyaslanmış ve en iyi sonuç veren elektrot (GFD 4.6) belirlenmiştir. Farklı
sıcaklık (200 °C, 400 °C, 600 °C) ve sürelerde (1, 3, 6, 9, 12 saat) termal uygulama
yapılan bu elektrot ve ticari elektrotun, elektriksel iletkenlik, gözeneklilik ve fiber çapı
deneysel olarak ölçülmüştür. Termal uygulama yapılmasıyla şarj deşarj performansı,
akım yoğunluğu, potansiyel değişimleri, konsantrasyon ve basınç değişiminin iyileştiği
yapılan sayısal çalışma ile ortaya konmuştur. Daha sonra camsı karbon elektrotun
yüzeyini temizlemek ve tekrarlanabilir sonuçlar elde etmek için mekanik temizliğe ek
olarak elektrokimyasal temizlik prosesi uygulanmıştır. En iyi sonuçlar 0V-2V aralığında
20 mV/s ve 6 çevrim ile alınmıştır. Son olarak, farklı saflıklardaki borların
elektrokatalizör olarak kullanılabilmesi açısından elektrokimyasal davranışları
kıyaslanmıştır. En iyi elektrokimyasal davranış gösteren bora ek olarak grafen ve bor
katkılı grafen de elektrokatalizör olarak kullanımı açısından kıyaslanmıştır. Bor, grafen
ve bor katkılı grafen için anodik pik akım yoğunlukları sırasıyla 11.99 mA/cm2, 15.67
mA/cm2 ve 19.185 mA/cm2 iken katodik pik akım yoğunlukları 3.69 mA/cm2, 10.087
mA/cm2 ve 12.677 mA/cm2 olarak ölçülmüştür. Borun tek başına kullanılması yerine
grafene katkılı şekilde kullanılmasıyla daha yüksek pik akım yoğunlukları elde edilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Vanadyum redoks akış bataryası, Kumaş elektrot, Termal
uygulama, Elektrokatalizör

Abstract:
This thesis is a both experimental and numerical combined study that examines the effects
of thermal treatment and electrocatalyst doping for improving graphite felt electrode. The
performance, charge and mass transfer behaviors of commercial electrodes were
compared and the electrode that gave the best results (GFD 4.6) was determined.
Electrical conductivity, porosity and fiber diameter of the electrodes which commercial
and thermally treated at different temperatures (200 °C, 400 °C, 600 °C) and times (1, 3,
6, 9, 12 hours), were measured experimentally. The numerical study has shown that the
charge-discharge performance, current density, potential changes, concentration and
pressure changes are improved with thermal treatment. Then, in order to clean the surface
of the glassy carbon electrode and obtain reproducible results, an electrochemical
cleaning process was applied in addition to mechanical cleaning. The best results were
obtained in the range of 0V-2V with 20 mV/s and 6 cycles conditions. Finally, the
electrochemical behaviors of boron with different purities were compared in terms of their
use as electrocatalysts. In addition to boron, which exhibits the best electrochemical
behavior, graphene and boron-doped graphene were also compared for use as
electrocatalysts. The anodic peak current densities for boron, graphene and boron-doped
graphene were measured as 11.99 mA/cm2, 15.67 mA/cm2 and 19.185 mA/cm2,
respectively, while the cathodic peak current densities were measured as 3.69 mA/cm2,
10.087 mA/cm2 and 12.677 mA/cm2. Higher peak current densities were obtained by
using boron as a dopant to graphene instead of using it alone.

Keywords: Vanadium redox flow battery, Felt electrode, Thermal treatment,
Electrocatalyst