Sodyum polisülfür/bromür (PSB) akış pillerinde anot kinetiği ve sistem tasarımının geliştirilerek pil performansının iyileştirilmesi
Improving battery performance by developing anode kinetics and system design in sodium polysulfide/bromide (PSB) flow batteries
Yazar: ESRA VAROL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BERKER FIÇICILAR
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Akış pilleri = Flow battery ; Bor katkı maddesi = Boron additive ; Yüzey modifikasyonu = Surface modification

Özet:
Elektriksel enerjinin depolanmasında elektrokimyasal bir enerji depolama sistemi olan redoks akış pilleri, şebeke ölçeğindeki talepleri karşılamak ve yenilenebilir enerji kaynaklarının şebekelerde yarattığı kararsızlığı engellemek adına umut vaadeden teknolojilerdir. Bu tez çalışması kapsamında önemli redoks akış pillerinden biri olan sodyum polisülfür/bromür (PSB) redoks akış pilinin performansının iyileştirilmesi amaçlanmıştır. PSB akış pili yüksek performansı, çevresel olarak iyi huylu olması, hızlı tepki süresi ve kullanılan reaktanların düşük maliyetiyle ön plana çıkmaktadır. Fakat diğer akış pillerinde de görülen ve pil performansını önemli ölçüde düşüren çapraz geçiş problemine sahiptir. Çapraz geçiş problemi sonucunda anot kinetiğindeki düşüş pil performansını etkilemektedir. Bu tez çalışması kapsamında PSB akış pillerinin anot kinetiğinin ve dolayısıyla pil performansının iyileştirilmesi amacı ile bir dizi çalışma gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmalardan ilki, akış pillerinde katalizörlerin yüklendiği aktarım katmanlarının ıslanabilirliğini artırmak ve üzerine yüklenecek katalizörün homojen bir şekilde dağılmasını sağlamak amacı ile gerçekleştirilmiştir. Bunun için grafit keçe (SGL-2.5 EA®) ve karbon kağıdı (SGL-10AA®) olmak üzere iki farklı gözenekli aktarım katmanına asidik yüzey modifikasyonu işlemi uygulanmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda karbon kağıdında modifikasyon sonrası ıslanabilirlik tamamen sağlanmıştır. Tez çalışmasının bir diğer hedefi katalizör sentezinde kullanılan destek yapısının (Vulcan-XC72®) kararlılığını ve dayanıklılığını artırmak amacı ile yapıya bor/azot katkılamak olmuştur. Bu amaçla iki aşamalı doğrudan katkılama ve mikrodalga ile ısıtma olmak üzere iki farklı yöntemle katkılama çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Yapılan elektrokimyasal analizler sonucunda mikrodalga yöntemiyle katkılanan yapıdan daha iyi bir katalitik aktivite elde edilmiştir. Geliştirilen elektrot yapısı PSB akış pilinde denenmiş olup yaklaşık olarak 0,014W/cm2 maksimum güç yoğunluğu elde edilmiştir.

Abstract:
Redox flow batteries, an electrochemical energy storage system for the storage of electrical energy, are promising technologies to meet grid-scale demands and to prevent instability created by renewable energy sources in grids. In this thesis, it is aimed to improve the performance of sodium polysulfide/bromide (PSB) redox flow battery, which is one of the important redox flow batteries. The PSB flow battery stands out with its high performance, environmentally benign, fast response time and low cost of the reactants used. However, it has the crossover problem, which is also seen in other flow batteries, which significantly degrades battery performance. The decrease in the anode kinetics as a result of the crossover problem affects the battery performance. Within the scope of this thesis, a series of studies have been carried out with the aim of improving the anode kinetics of PSB flow batteries and thus battery performance. The first of these studies was carried out in order to increase the wettability of the diffusion layers on which the catalysts are loaded in flow batteries and to ensure a homogeneous distribution of the catalyst to be loaded on it. For this, acidic surface modification was applied to two different porous transfer layers, graphite felt (SGL-2.5EA®) and carbon paper (SGL-10AA®). As a result of the studies, the wettability of the carbon paper has been completely provided with the applied modification. Another goal of the thesis study was to add boron/nitrogen to the support structure (Vulcan-XC72®) used in catalyst synthesis in order to increase its stability and durability. For this purpose, two different methods of doping were carried out, namely two-stage direct doping and microwave heating. As a result of the electrochemical analyzes, a better catalytic activity was obtained from the structure doped with the microwave method. The developed electrode structure was tested in the PSB flow cell and a maximum power density of approximately 0.014W/cm2 was obtained.