Katalizör ve ENG katkılı MgH2 peletlerin yapısal özelliklerinin ve hidrojen kinetiğinin araştırılması
Investigation of structural properties and hydrogen kinetics of the catalyst and ENG doped MgH2 pellets
Yazar: GÖKHAN GİZER
Danışman: PROF. DR. ŞADAN ÖZCAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Kimya = Chemistry ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Metal hidrürler arasında MgH2'nin yüksek sıcaklıkta (300-450oC) ve düşük H2 basınçlarında (0-20 bar) çalışması, bol bulunur olması ve özelliklerinin iyi bilinmesi nedeniyle yoğunlaştırılmış güneş enerji santrallerinde ısı depolama malzemesi olarak uygulama potansiyeli oldukça yüksektir. Magnezyumun hidrojen soğurması egzotermik bir reaksiyondur, 75kJ/molH2 ısı açığa çıkar. Açığa çıkan ısı enerjisi kullanılarak santralin çalışması devam ettirebilir. İyi bir ısı depolama malzemesinin yüksek reaksiyon hızına ve ısıl iletkenliğe sahip olması gereklidir. Fakat MgH2'nin reaksiyon hızı yavaş ve ısıl iletkenliği düşüktür. Bu nedenlerle çalışma kapsamında, MgH2'nin reaksiyon hızını iyileştirmek için metal oksit katalizörler ile birlikte mekanik öğütme işlemi kullanılmıştır.  Yüksek ısıl iletkenliğe ulaşmak için ise yapıya yüksek ısıl iletkenliğe sahip genişletilmiş grafit (ENG) katılmıştır. Hacimsel depolama kapasitesini artırmak ve oksijene karşı reaktifliği azaltmak için MgH2-katalizör-ENG karışımı hidrolik pres ile basınçlandırılmıştır. Mekanik öğütme işleminin, presleme basıncının, ENG miktarının, katalizör miktarının ve cinsinin malzemenin yapısal özellikleri ve hidrojen kinetiği üzerindeki etkisi de ayrıca incelenmiştir. Oluşturulan peletlerin hidrojen kinetiği Sievert hacimsel metot ile belirlenirken, yapısal karakterizasyonu taramalı elektron mikroskobu ile irdelenmiştir.  Isıl iletkenlik ölçümleri ise çalışma kapsamında tasarlanmış olan ölçüm düzeneği ile yapılmıştır. %90 MgH2, %5 TiO2 ve %5 ENG'den oluşan peletin hidrojen depolama kapasitesi 350oC'ta ağırlıkça %5,6'dır. %5 TiO2 katkısıyla peletlerin hidrojen salınım özellikleri 2 kat geliştirilmiş ve 350oC'ta 15 dakikada tüm hidrojeni salabilmektedir. %5 ENG katılmasıyla ise peletin radyal ısıl iletkenliği 5 kat artarak 4,6 W/mK değerine ulaşmıştır. Pelet, fiziksel özelliklerinde bir değişim olmadan 20 döngü boyunca çalışabilmektedir. Presleme basıncı arttığında fiziksel özelliklerin iyileştiği ve 50 döngüye kadar pelet formunun korunduğu görülmüştür. Bu sonuçlar saf MgH2 peletin hidrojen depolama ve ısıl özelliklerinin, katalizör ve ENG kullanımıyla belirgin olarak iyileştirildiğini göstermektedir. Hazırlanan pelet, 300-450oC sıcaklık aralığında ve 0-20 bar H2 basıncında ısı depolama özelliğiyle yüksek sıcaklık ısı depolama malzemesi olarak kullanılma potansiyeline sahiptir. 


Anahtar Kelimeler: Hidrojen depolama, CSP santralleri, termokimyasal enerji depolama, MgH2, metal hidrürler.

Abstract:
Among metal hydrides, MgH2 operates at high temperatures (300-450oC) and low H2 pressures (0-20 bar). It is an abundant and well-studied material. These properties show that MgH2 can be used as a thermal energy storage material for concentrating solar power plants. H2 absorption of magnesium is exothermic, 75kJ/molH2 heat energy is released. This released energy can be used to carry on power plant's operation. Suitable thermochemical energy storage material should have high thermal conductivity and fast hydrogen kinetics. However reaction kinetics of MgH2 is slow and it has low thermal conductivity. In this work, mechanical milling process and metal oxide catalysts are used to improve reaction kinetics. Expanded natural graphite (ENG) is added to increase thermal conductivity of samples. MgH2-catalyst-ENG mixture is compacted with uniaxial press to reduce oxidation rate and increase volumetric hydrogen capacity. Effect of mechanical milling, pellet pressure, ENG concentration, catalyst type and concentration on material is investigated. Hydrogen kinetics of prepared samples are measured with Seivert's volumetric method. SEM and TEM analysis are done for structural analysis. Thermal conductivity measurement system, designed by SNTG members is used to measure thermal conductivities of pellets. Pellet consist of %90 MgH2, %5 TiO2 and ENG can store 5,6 wt. % hydrogen at 350oC. With %5 TiO2 addition, reaction kinetics are two times faster respect to sample without catalyst. Pellet can fully desorb hydrogen in 15 minutes. With %5 ENG addition, radial thermal conductivity of pellet is reached to 4,6 W/mK. This result is 5 times higher than MgH2 itself. There is not any physical distortion on pellet surfaces up to 20 hydrogen absorption-desorption cycle. Increasing pellet pressure improves the physical properties and pellet pressed under 600 MPa can keep pellet form until 50 cycle. These results show that catalyst and ENG addition clearly improves properties of pure MgH2 pellet. Prepared pellet can operate at 300-450oC temperature range and 0-20 bar H2. It has the potential to be used as a high temperature thermal energy storage material.


Keywords: hydrogen storage, CSP plants, thermochemical energy storage, MgH2, metal hydrides.