Sodyum borhidürürün elektrokimyasal oksidasyon ile yakıt pillerinde doğrudan kullanımı
Direct use of sodium borohydride by electrochemical oxidation in fuel cells
Yazar: AYŞE ELİF SANLI
Danışman: PROF. DR. BEKİR ZÜHTÜ UYSAL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Modelleme = Modelling ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Bor endüstriyel olarak çok geniş bir kullanım alanına sahip olan bir mineraldir. Türkiye'nin dünya bor rezervlerinin %72'sine sahip olması ülkemizi oldukça avantajlı bir konuma yükseltmektedir. Bor mineralinin pek çok sanayi dalında aranılan kritik bir malzeme olmasının yanında, en önemli kullanım alanlarından biri ise metal hidrürler (borhidrür) halinde enerji üretim sistemlerinde yakıt olarak kullanılabilmesidir. Dünyada azalan petrol ve kömür rezervleri, artan enerji ihtiyacı ve çevre kirliliği gibi problemler alternatif ve çevreci bir yakıt olan borhidrürün önemini arttırmaktadır. Ayrıca geleceğin yakıtı olarak görülen hidrojenin, depolanması ve taşınmasındaki güçlükler farklı hidrojen depolama metotlarının geliştirilmesini önemli hale getirmektedir. Borhidrür hidrojen depolayıcı bir metal hidrür olarak hidrojen enerjisi ile ilgili çalışmalarda çok büyük bir öneme sahip olduğu gibi, son yıllarda yakıt hücrelerinde doğrudan yakıt olarak kullanılmasıyla da ilgi çekmeye başlamıştır.Yakıt pilleri kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çeviren bataryalardır. Ticari olarak kullanılan yakıt pillerinin en önemlileri, yakıt olarak hidrojenin kullanıldığı PEM (polimer electrolit membrane) yakıt hücreleri ve metanolün kullanıldığı DMFC (direct methanol fuel cell) tipi hücrelerdir. Bunun yanında diğer alkollerle ve doğal gazla çalışan yakıt pili tipleri de mevcuttur. Yakıt pilleriyle ilgili olarak, yakıtlar, anot ve katot malzemeleri, hücre tasarımı gibi konular üzerinde detaylı araştırmalar devam etmektedir. Önemli bir yakıt pili tipi ise bu çalışmanın konusu olan Doğrudan Borhidrürlü Yakıt Pilleri'dir.Doğrudan Borhidrürlü/Peroksitli Yakıt Pilleri (DBFC), yüksek teorik pil potansiyeline ve enerji içeriğine sahip hücrelerdir. Bunun yanında yakıtın sulu bazik çözelti olarak güvenli bir şekilde taşınabilmesi nedeniyle taşınabilir uygulamalar için uygun bir hücre tipi olmaktadırlar. Ayrıca yakıtın ham maddesi olan bor madeninin ülkemizde bol miktarda bulunması, bu hücre tipini kaynaklarımızın kullanılması ve değerlendirilmesi açısından ilgi çekici konuma yükseltmektedir. Hem yakıt hücresi tipinin diğer hücre tiplerine kıyasla sahip olduğu üstün özellikler, hem de ülkemizin bulunduğu konum göz önüne alınarak doğrudan borhidrürlü/peroksitli hücreler üzerinde bir çalışma yapılmasına karar verilmiştir.Bu çalışmada NaBH4'ün yakıt hücrelerinde doğrudan yakıt olarak kullanılmasının araştırılması amaçlanmıştır. Doğrudan borhidrürlü yakıt pilleri (DBFC) için kritik nokta, uygun anot katalizörünün seçilmesidir. Elektrokimyasal araştırmalar sonucunda uygun olduğu belirlenen Ag (gümüş) anot katalizörü ve Pt katot katalizörü olarak kullanılanarak, bir test hücresi tasarlanmıştır. Bu test hücresinde yakıt olarak sulu bazik NaBH4 çözeltisi ve oksidant olarak asidik H2O2 çözeltisi kullanılmıştır. Oksidant olarak havanın yerine H2O2 çözeltisinin kullanıldığı bu hücre tipi, uzay çalışmaları ve deniz altları gibi havasız ortamlardaki uygulamalar açısından da oldukça önemlidir.Deneysel araştırmalarda Ag yüzeyinde oluşan Ag2O tabakasının katalitik etkiye sahip olduğu tespit edilmiştir. Oksit tabakasındaki değişikliklerin hücre performansı üzerinde etkili olduğu belirlenmiştir. Test hücresi ile maksimum güç yoğunluğu, 11 mA/cm2 akım yoğunluğunda, 0,6 V'luk hücre voltajında 7 mW/cm2 olarak hesaplanmıştır. Benzeri çalışmalarla kıyaslandığı zaman, elde edilen güç değerinin literatüre uygun bir değer olduğu görülmektedir.Prototip hücre için hücrenin ohmik aşırı gerilimini, anot aktivasyon aşırı gerilimini ve katot aktivasyon aşırı gerilimini veren ifadeleri içeren bir matematiksel model geliştirilmiştir. Bu modelin deneysel sonuçlarla uyumlu olduğu görülmüştür. Hücre içinde en büyük polarizasyon kaybı ohmik dirençten kaynaklanmaktadır. NaBH4'ün aktivasyon kaybı ise diğer bir önemli kayıptır.Prototip hücrenin maliyet analizi ise, hücrenin sabit maliyetinde karbon tabakalar ve membranın etkisinin çok büyük olduğunu göstermiştir. Toplam maliyettin ise %69'u NaBH4'den kaynaklanmaktadır.Bilim Kodu : 912.1.038Anahtar kelimeler: Borhidrür, yakıt pilleri, modelleme.Sayfa Adedi : 219Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Bekir Zühtü UYSAL

Abstract:
Boron is a metal with wide industrial applications. The fact that Turkey holds 72% of total boron reserves put her a very advantageous position. In addition to being a critical material in some industrial applications boron has a very good potential as a fuel in fuel cell as a metal hydride (borohydride). The depletion oil and coal reserves and rapidly increasing environmental pollution and energy demand increase the importance of borohydride as an alternative and clean energy source. Apart from that the difficulties in the storage and transportation of hydrogen, the fuel of future, make the development of alternative hydrogen storage method increasingly important. Borohydride received great interest as hydrogen storage hydride in hydrogen energy studies. It has also been used as direct fuel in fuel cells in recent years.Fuel cells are the systems which convert the chemical energy into electrical energy. The major types of commercial fuel cells are polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells which use hydrogen fuel and direct methanol fuel cells (DMFC). In addition to these there are fuel cells working with other alcohols and natural gas. There are extensive researches on fuel cells concerning the fuels involved, anode and cathode materials and cell design. This study is related to an important class of fuel cells namely direct borohydride fuel cells (DBFC).DBFCs are the fuel cells which have high theoretical cell potential and energy yield. Also the fuel is easily and safely transportable as a aqueous basic solution. That is why they are very suitable for mobile applications. The fact that the raw material of its fuel boron is abundantly available in our country makes these cells additionally attractive for the utilization of this mineral. Taking the fact that these types of fuel cells have additional advantages over other types of fuel cells and the position of the country as regards to boron reserves, it was decided to investigate the direct borohydride/peroxide fuel cells in this study.This study is mainly concerned with the direct use of NaBH4 as a fuel in fuel cells. The critical point in the use of DBFCs is the selection of suitable anode catalyst material. As a result of electrochemical investigations there was test cell designed with an Ag anode and Pt cathode. The fuel and oxidant in this test cell were basic NaBH4 and acidic H2O2 solutions. The use of H2O2 as an oxidant in place of air is important for airtight applications such as space studies or under water devices.The experimental studies revealed that Ag2O layer formed on Ag surface has a considerable catalytic effect on cell performance. The test cell gave a maximum power density of 7 mW/cm2 at a current density of 11 mA/cm2 and a cell potential of 0.6 V. These values are comparable with those obtained in literature.A mathematical model has been developed for the proto type cell including the ohmic overpotential, anode overpotential and cathode overpotential of the cell. The mathematical model was found to be in good accordance with the experimental results. The biggest polarization loss was caused by the ohmic resistance. The activation overvoltage of NaBH4 makes quite a bit contribution to the loss of polarization.The cost analysis of the proto type cell showed that carbon plates and membrane cause the major shares of the cost. But 69% of the total cost comes from NaBH4.Science Code: 912.1.038Key Words: Borohydride, fuel cells, modelingPage Number: 219Adviser : Prof.Dr.Bekir Zühtü UYSAL