Sodyum borhidürürün elektrokimyasal oksidasyon ile yakıt pillerinde doğrudan kullanımı

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