Yakıt pili sistemlerinde ve akış bataryalarında kullanılmak üzere ileri enerji malzemelerinin geliştirilmesi ve test edilmesi

Hidrojen üretimi ve enerji depolama, yenilenebilir enerji alanındaki en önemli iki konudur. Hidrojen gelecek vaat eden sıfır emisyonlu temiz enerji taşıyıcısıdır. Fakat hidrojenin ulaşım yakıtı olarak güvenli, verimli ve ucuz yerinde depolama konusu, yaygın kullanımı önündeki en önemli engeldir. Kriyojenik ve yüksek basınçlı kaplar gibi geleneksel hidrojen depolama teknikleri ihtiyacı karşılayamamaktadır. Diğer yandan, daha yüksek hidrojen yoğunluğuna sahip kimyasal hidrürler gelecek vaat eden katı hidrojen depolama adaylarıdır. Kimyasal hidrürlerden hidrojen üretiminde kullanılan iki ana metot hidroliz ve termolizdir. Termoliz termal enerjiye gereksinim duymakta ve hidroliz de yavaş kinetiğe sahip olmaktadır. Bu nedenle yüksek hidrojen üretim hızlarına ulaşmak için katalitik hidroliz en iyi yöntemdir. Bu konuda kataliz olarak değerli ve değerli olmayan metaller kullanılmaktadır. Değerli olmayan metallerin dayanımının çok düşük olması sebebiyle, değerli metaller bu konuda büyük önem taşır. Değerli metallerin maliyetleri ise yaygınlaşmalarının önündeki en büyük engeldir. Bu nedenle katalitik aktiviteleri arttırılarak kullanılan miktarın düşürülmesi, maliyet etkinlik açısından önem arz etmektedir. Bu amaçla, tez kapsamında alaşımlama-seçimli aşındırma yaklaşımı ile yüksek yüzey alanlı platin ve rutenyum katalizörler elde edilmesi hedeflenmiştir. İnce filmlerindeki platin miktarı yalnızca 44.0 µg cm-2'dir ve bu değer literatürdeki en düşük değerlerden biridir. Ayrıca bu ince filmler 130 L dk-1 gkatalizör-1 hidrojen üretim hızı göstermiştir. Esnek alt taşlar üzerine uygulanabilmekte ve en az 25 saat süresince performansını korumaktadır. Bu yaklaşımla gözenekli toz katalizörlerin de elde edilmesinin mümkün olduğu gösterilmiştir. Tez çalışmasında ayrıca, proton iletken zarlar kullanılarak, asitlerden kontrollü proton iletimi ile kimyasal hidrürlerden yüksek hızda ve kararlı hidrojen üretilebileceği gösterilmiştir. Üretilen bu katalizsiz hidrojen üretim sistemi ile bir yakıt pili 300 saat boyunca çalıştırılmıştır. Tez çalışmalarının son bölümünde ise vanadyum redoks akış bataryaları üzerinde çalışılmıştır. Hidrojen anlık olarak kullanılabilen ve kimyasal hidrür olarak yüksek yoğunlukta saklanabilen bir yenilenebilir enerji taşıyıcısıdır. Diğer yandan, rüzgar ve güneş enerjisi ise şebeke enerjisine olan bağımlılığın azaltılmasında kullanılan yardımcı enerji üretim sistemleridir. Ayrıca, ihtiyaç duyulan enerji bu sistemlerin ürettiği enerjiden az olduğu durumda, fazla enerjinin depolanması gerektirir. Akış bataryaları rüzgar ve güneş enerjisinin depolanması konusunda en iyi alternatif olarak öne çıkmaktadır. Özellikle vanadyum redoks akış bataryaları anot ve katot elektroliti olarak aynı malzemenin kullanılması sayesinde büyük avantaja sahiptir. Kullanımlarının yaygınlaşmasındaki en büyük engel, hücre maliyetinin büyük kısmını oluşturan, ticari olarak kullanılmakta olan NafionTM zarları ve vanadyum elektrolitleridir. Ayrıca, NafionTM zarlar batarya kapasitesinin ciddi şekilde azalmasına yol açan yüksek vanadyum geçirgenliği yüzünden dezavantajlıdır. Hem maliyet etkinlik hem de batarya performansının arttırılması amacıyla yakıt pillerinde de kendinin kanıtlamış doğrudan sülfonlanmış poli(arilen eter sülfon) zarları vanadyum redoks akış bataryalarında test edilmiştir. Doğrudan sülfonlama ile sonradan sülfonlamanın olumsuz etkileri ortadan kaldırılmıştır. Bu zarlar kullanılarak elde edilen bataryaların kulombik, voltaj ve enerji verimi performanslarının NafionTM kullanılan bataryalardan daha yüksek olduğu gösterilmiştir.