DEMİR GRUBU (FeNiCo) ALAŞIM NANO PARTİKÜLLERİNİN YAKIT HÜCRELERİNDE KULLANIMINA YÖNELİK ELEKTROT TASARIMI VE MODELLEME ÇALIŞMALARI

Benzer belgeler
NANO KURġUN ÜRETĠMĠ VE KARAKTERĠZASYONU

ÇİNKO KATKILI ANTİBAKTERİYEL ÖZELLİKTE HİDROKSİAPATİT ÜRETİMİ VE KARAKTERİZASYONU

FeNiCoCu YÜKSEK ENTROPİ ALAŞIM NANO PARTİKÜLLERİN AERESOL TEKNİĞİ İLE ÜRETİMİ

Teknik yazı PRODUCTION AND CHARACTERIZATION OF ANTIBACTERIAL-ANTIFUNGAL PROPERTIES OF REDUCED AG CONTAINING AGCU/ZNO NANOCOMPOSITE PARTICLES

HYDROTERMAL YÖNTEMİYLE NİKEL FERRİT NANOPARTİKÜLLERİN SENTEZİ VE KARAKTERİZASYONU

YAKIT HÜCRESİ 4. KUŞAK ELEKTRİK ÜRETİM TEKNOLOJİSİ

KARBON AEROJEL ÜRETİMİ VE KARAKTERİZASYONU

ELEKTROLİTİK TOZ ÜRETİM TEKNİKLERİ. Prof.Dr.Muzaffer ZEREN

YMN22. H 2 /O 2 YAKIT PİLLERİNDE PtRu/C ve PtIr/C KOMPOZİT ELEKTROTLARIN SENTEZİ

MEMM4043 metallerin yeniden kazanımı

PROTON DEĞİŞİM ZARLI BİR YAKIT HÜCRESİNİN PERFORMANSI ÜZERİNE FARKLI PARAMETRELERİN ETKİSİ

ICHET LABORATUVARLARI

ULTRASONİK SPREY PİROLİZ TEKNİĞİ: NiO/ZnO ve Ni/ZnO NANOKOMPOZİT PARTİKÜLLERİNİN ÜRETİMİ

MİKRODALGA YÖNTEMİYLE NİKEL FERRİT NANOPARTİKÜLLERİN SENTEZİ VE KARAKTERİZASYONU

Şekilde görüldüğü gibi Gerilim/akım yoğunluğu karakteristik eğrisi dört nedenden dolayi meydana gelir.

Akış kanalı genişliğinin pem tipi yakıt hücresi performansına etkisinin incelenmesi

Farklı Karıştırma Teknikleri ve Başlangıç Maddelerinden Sentezlenmiş Hidroksiapatit Tozunun Özelliklerinin İncelenmesi

Paslanmaz Çelik Gövde. Yalıtım Sargısı. Katalizör Yüzey Tabakası. Egzoz Emisyonları: Su Karbondioksit Azot

İçerik. Giriş. Yakıt pili bileşenlerinin üretimi. Yakıt pili modülü tasarımı ve özellikleri. Nerelerde kullanılabilir?

ALUMİNA DESTEKLİ MFI TİPİ ZEOLİT MEMBRANLARIN TEK GAZ GEÇİRGENLİK ÖLÇÜMÜYLE KARAKTERİZASYONU

İÇİNDEKİLER 2

Yüksek Miktarlı Enerji Depolama Teknolojileri

Sb 2 Te 3 ve Bi 2 Te 3 İÇERİKLİ YARI İLETKEN ALAŞIMLARIN ÜRETİMİ ve TERMOELEKTRİK, YAPISAL, MİKROYAPISAL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ ÖZET

YMN59 YAKIT HÜCRELERİ İÇİN NANO BOYUTTA YİTRİYUM OKSİT STABİLİZE ZrO 2 (YSZ) ELEKTROLİT HAZIRLAMA YÖNTEMLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI

DÜŞÜK SICAKLIKTA BERRAK ÇÖZELTİLERDEN MFI TİPİ TOZ ZEOLİT SENTEZİ

ZİRKONYUM TUNGSTAT (ZrW 2 O 8 ) ÖNCÜLLERİNİN ÇÖZ-PEL YÖNTEMİ İLE DÜŞÜK SICAKLIK VE YAŞLANDIRMA SÜRELERİNDE ELDE EDİLMESİ

Şekil 1. Elektrolitik parlatma işleminin şematik gösterimi

MMT113 Endüstriyel Malzemeler 6 Nikel, Titanyum ve Kobalt alaşımları. Yrd. Doç. Dr. Ersoy Erişir Güz Yarıyılı

1. Giriş 2. Yayınma Mekanizmaları 3. Kararlı Karasız Yayınma 4. Yayınmayı etkileyen faktörler 5. Yarı iletkenlerde yayınma 6. Diğer yayınma yolları

BARTIN ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ MALZEME LABORATUARI II DERSİ AKIMLI VE AKIMSIZ KAPLAMALAR DENEY FÖYÜ

MM548 Yakıt Pilleri (Faraday Yasaları)

Selçuk Üniversitesi ISSN 1302/6178 Journal of Technical-Online

YAZILI SINAV SORU ÖRNEKLERİ KİMYA

HİDROKSİAPATİT NANOPARÇACIKLARININ SENTEZİ

EK YAKIT OLARAK ÇİMENTO FABRİKALARINDA KULLANILABİLECEK ATIKLAR

YAKIT PİLİ ve GÜÇ KOŞULLANDIRMA

X-Işınları. 1. Ders: X-ışınları hakkında genel bilgiler. Numan Akdoğan.

DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ DEKANLIĞI DERS/MODÜL/BLOK TANITIM FORMU. Dersin Kodu: MME 3009

POLİÜRETAN NANO-KOMPOZİT SENTEZİNDE KULLANILMAK ÜZERE NANO-BÖHMİT ÜRETİMİ VE İŞLEVSELLEŞTİRİLMESİ

ALUMİNYUMUN YÜZEYİNDEKİ OKSİT TABAKASININ SÜLFÜRİK ASİT ANODIZING YÖNTEMİYLE GELİŞTİRİLMESİ*

PSM 11 PEM YAKIT HÜCRELERİNİN YAPAY SİNİR AĞLARI İLE MODELLENMESİ

ERGİMİŞ KARBONATLI YAKIT PİLİ SİMÜLASYONU

ATMALI FİLTRELİ KATODİK VAKUM ARK DEPOLAMA YÖNTEMİYLE ÇİNKO NİTRÜR (Zn 3 N 2 ) ÜRETİMİ VE OPTİKSEL ÖZELLİKLERİ *

KOROZYON. Teorik Bilgi

YENİ BİR İLETKEN POLİMER: POLİ(3,8 DİAMİNOBENZO[c]SİNNOLİN) ELEKTROKİMYASAL ÜRETİMİ VE ELEKTROKROMİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ

MODERN ENERJİ DEPOLAMA SİSTEMLERİ VE KULLANİM ALANLARİ

T.C Ondokuz Mayıs Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği KMB 405 Kimya Mühendisliği Laboratuvarı III

İNTERMETALİK MALZEMELER. Doç. Dr. Özkan ÖZDEMİR (DERS NOTLARI-4)

Bor ve karbon nanomalzemelerin üretimi ve karakterizasyonu

EAG 04. KCl ÇÖZELTİSİNİN METASTABİL BÖLGE GENİŞLİĞİNİN KNO 3 KATKISI VARLIĞINDA ULTRASONİK SENSÖRLE ÖLÇÜLEBİLİRLİLİĞİNİN İNCELENMESİ

KOROZYON TÜRLERİ Başlıca 8 korozyon türü vardır. Bunlar:

PÜSKÜRTME YÖNTEMİ İLE HAZIRLANAN CdO İNCE FİLMLERİN ÖZELLİKLERİ * Properties of CdO Thin Films Deposition by Spray Methods*

Yoğun Düşük sürünme direnci Düşük/orta korozyon direnci. Elektrik ve termal iletken İyi mukavemet ve süneklik Yüksek tokluk Magnetik Metaller

Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü

Yrd. Doç. Dr. Şeniz R. KUŞHAN AKIN EĞİTİM Doktora, Yüksek Lisans, Lisans, İŞ TECRÜBESİ Yrd. Doç. Dr., Bilimsel Programlar Başuzmanı,

Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Sol-jel Prosesleri Ders Notları

MALZEME BİLGİSİ DERS 5 DR. FATİH AY. fatihay@fatihay.net

HİDROJEN ÜRETİMİ BUĞRA DOĞUKAN CANPOLAT

ÖZGEÇMİŞ. Görev Yeri Yıl. Bölümü, Alanya-Antalya/Türkiye

Kristalizasyon Kinetiği

Elektrokimyasal İşleme

NTSE - Nano Technology Science Education Project No: LLP TR-KA3-KA3MP ÖĞRENCİ KILAVUZU NANO BOYUT VE NANOTEKNOLOJİ

Basma Zoru Altında Kırılan ve Kırılmayan Cu-Al-Be Şekil Hatırlama Alaşım Numunelerinin Özelliklerinin İncelenmesi

DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ DEKANLIĞI DERS/MODÜL/BLOK TANITIM FORMU. Dersin Kodu: MME 3009

Faz ( denge) diyagramları

Selçuk Üniversitesi ISSN 1302/6178 Journal of Technical-Online PEM YAKIT HÜCRESİNİN KATOD TARAFI PERFORMANSININ GELİŞTİRİLMESİ.

TOA06 SÜRÜKLENME KANALLI TAŞKIN YATAKLARDA MİNİMUM TAŞKINLAŞMA HIZININ BELİRLENMESİ

BİSFENOL A NIN BAKIRIN LEKTROKİMYASAL DAVRANIŞLARINA ETKİSİ 1. The Effects of Bisphenol A on Electrochemical Behaviour of Copper*

Bulanık Mantık Tabanlı Uçak Modeli Tespiti

6.WEEK BİYOMATERYALLER

Abs tract: Key Words: Meral ÖZEL Nesrin İLGİN

1,3-bis-(p-iminobenzoik asit)indan Langmuir-Blodgett filmlerinin karakterizasyonu ve organik buhar duyarlılığı

ÖZGEÇMİŞ. Analitik kimya, elektrokimya, voltammetrik teknikler, yakıt pilleri, nano parçacık modifiye yüzeyler, iş sağlığı ve güvenliği

Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi

MIG-MAG KAYNAK METODUNDA KULLANILAN KAYNAK ELEKTROTLARI VE ELEKTROT SEÇİMİ

BMM 205 Malzeme Biliminin Temelleri

ARAŞTIRMA MAKALESİ /RESEARCH ARTICLE

Kobra 3 ile Ohm Yasası

DOĞRUDAN SODYUM BORHİDRÜRLÜ YAKIT PİLİ ANOT VE KATOT ELEKTROKATALİZÖRÜNÜN SENTEZİ VE KARAKTERİZASYONU. Synthesıs and characterızatıon of

TÜBİTAK-BİDEB Lise Öğretmenleri (Fizik, Kimya, Biyoloji ve Matematik) Proje Danışmanlığı Eğitimi Çalıştayı LİSE-2 (ÇALIŞTAY 2012) SUYUN DANSI

Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi

AŞINDIRICI PARTİKÜL KARIŞIMLARININ Ti6Al4V ALAŞIMININ KATI PARTİKÜL EROZYON DAVRANIŞINA ETKİLERİ

Metal Hidrür Reaktörlerde Hidrojen Şarj Basıncının Depolanan Hidrojen Kütlesine Etkisinin Deneysel Olarak İncelenmesi

Sıkıştırma Basıncının PEM Yakıt Pili Performansına Etkisi

ELEKTROKİMYASAL KOROZYON

ÖZET. Fe-%30Ni-%XMo ALAŞIMLARINDA ATERMAL VE İZOTERMAL MARTENSİTİK FAZ DÖNÜŞÜMLERİNİN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ.

MAK-205 Üretim Yöntemleri I. (6.Hafta) Kubilay Aslantaş

YAKIT PİLLERİ. Hazırlayan: Doç. Dr. Hüseyin BULGURCU MAYIS KAYNAK:

PLAZMA TRANSFER ARK YÖNTEMİYLE FeCr/FeCr+C TOZUNUN DÜŞÜK KARBONLU ÇELİK YÜZEYİNE ALAŞIMLANMASI. Serkan ÖZEL, Bülent KURT, İlyas SOMUNKIRAN

TARAMA ELEKTRON MİKROSKOBU SCANNING ELECTRON MICROSCOPE (SEM)

SİLİSYUM ESASLI İNTERMETALİK BİLEŞİKLER

ELEKTROKOAGÜLASYON İLE SULU ÇÖZELTİLERDEN BOYAR MADDELERİN GİDERİLMESİ

EGE Üniversitesi, Mühendislk Fakultesi, Makine Mühendisliği Bölümü ÖZET

HHO HÜCRESİNİN PERFORMANSININ DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ. Konya, Türkiye,

Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi TÜRKİYE 10. ENERJİ KONGRESİ FOTOELEKTROLİZ YOLUYLA HİDROJEN ÜRETİMİ

NiO/ZnO Nanokompozit Partiküllerinin Sol-Jel Tekniği İle Üretimi

Malzeme muayene metodları

AA6063 Alaşımlı Alüminyum Profilin H 2 SO 4 Elektroliti Kullanılarak Eloksal Kaplanması

BARA SİSTEMLERİ HAKKINDA GENEL BİLGİLER

ÖZGEÇMİŞ. Derece Bölüm/Program Üniversite Ortalama Yıl

Transkript:

Teknik yazı Özet DEMİR GRUBU (FeNiCo) ALAŞIM NANO PARTİKÜLLERİNİN YAKIT HÜCRELERİNDE KULLANIMINA YÖNELİK ELEKTROT TASARIMI VE MODELLEME ÇALIŞMALARI Şerzat SAFALTIN Meltem İSLAMOĞLU Burak KÜÇÜKELYAS Çiğdem TOPARLI Sebahattin GÜRMEN Bu çalışmada; yakıt hücrelerinde kullanılmak üzere FeNiCo alaşım nanopartikülleri Ultrasonik Sprey Piroliz ve Hidrojen Redüksiyonu Tekniği (USP-HR) ile 0,1 M FeNiCo nitrat başlangıç çözeltisinden farklı redüksiyon sıcaklıklarında (600, 800 ve 1000 o C) üretilmiş ve X-ışınları faz analizi (XRD), taramalı elektron mikroskobu (FEG SEM-EDS) analizleriyle karakterize edilmiştir. XRD analizinde yapının YMK ve HMK yapının karışımı ve SEM-EDS analizinde ise eş morfolojide küresel dağılımın olduğu nanopartiküllerin Fe, Ni ve Co fazlarından oluştuğu belirlenmiştir. FeCoNi alaşım partiküllerinin yakıt hücrelerinde kullanımına yönelik elektrot tasarımı ve modelleme çalışmaları, 150-200 o C sıcaklık aralığında çalışan fosforik asit yakıt hücresinde kovansiyonel kullanım bulmuş Pt-C ve bu çalışma kapsamında üretilmiş FeNiCo alaşım nanopartikülleri ile gerçekleştirilmiştir. Modelleme ve simülasyon çalışmaları sonucunda FeNiCo içeren elektrotlarının kullanıldığı yakıt hücresinin performasının konvansiyonel kullanımdaki Pt-C elektrotlara göre daha iyi olduğu gözlenmiş ve FeNiCo nanopartiküllerinin Pt-C kompozitine benzer katalitik özellikler gösterdiği belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Demir-Nikel-Kobalt Alaşım Nanopartikülleri, Ultrasonik Sprey Piroliz Tekniği, Yakıt Hücresi, Modelleme ve Simülasyon. Simulation and Modelling Studies of Iron Group Alloy (FeNiCo) Nanoparticles as New Electrode for Fuel Cell Application Abstract In this study; FeNiCo alloy nanoparticles were synthesized via hydrogen reduction assisted ultrasonic spray pyrolysis method in single step by using 0.1 M nitrate salts as precursor. The effect of reduction temperature on characteristic properties of particles have been investgated by different reaction temperatures (600, 800, 1000 o C). The microstructural characteristics of the particles were investigated through X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) studies. X-ray analysis indicates that FeNiCo nanocrystalline particles exhibit a mix of BCC and FCC structures, while SEM-EDS analysis shows particles are in spherical shape consisting of Fe, Ni and Co elements. Electrode design and modelling studies of FeCoNi alloy particles in phosphoric acid fuel cells for usage in the temperature range of 150-200 o C have been computed by using comparison of the data of FeNiCo alloy nanoparticles obtained in the experimental work and conventional Pt-C nanoparticles. It has been observed that FeNiCo shows better performance than conventional Pt-Co electrodes in phospharic acid fuel cell. Further the results indicates that FeNiCo alloy particles shows similar catalytic properties with conventional Pt-C composite. Keywords: FeNiCo alloy nanoparticles, ultrasonic spray pyrolysis, fuel-cell, modelling and simulation. 1. Giriş Nanoteknoloji, malzeme ve yapıların nano ölçütlerde incelenmesini, tasarlanmasını, üretilmesini, karakterizasyonunu ve elde edilen sistemlerin işlevsel ve ticari olarak kullanımını içermektedir. Nanoteknoloji ve nano malzemeler (fonksiyonel fiziksel ve kimyasal özelliklere ve geniş uygulama alanına sahip olmaları) çağımızın ve geleceğin anahtar teknolojisi/malzemeleri olması sebebiyle bu malzemelerin üretimine yönelik ilgi son yıllarda artmaktadır [1]. Özellikle elektronik ve enerji alanında üretilmesi amaçlanan parçaların nano boyutlara indirilmesi konusunda yapılan çalışmalar hızla 26 Türk Mühendis ve Mimar Odaları Birliği METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLERİ ODASI Metalurji Sayı:176 Ekim 2015

artmakta ve elde edilen sonuçlar çok dikkat çekmektedir [2]. FeNiCo nano partikülleri, manyetik bilgi depolama cihazları, elektronik baskı devreleri, askeri uygulamalar, havacılık ve yüksek sıcaklık uygulamaları, enerji sistemleri gibi birçok alanda kullanılabilen üçlü alaşım yapısıdır. FeNiCo nano partikülleri bileşimindeki demir, nikel ve kobalt oranına göre farklı özellikler göstermekte ve bu sayede özelliklerin kontrolünün sağlanmaktadır [3]. Yakıt hücreleri, kimyasal enerjinin elektrik enerjisine çevrildiği, sessiz, yüksek verimli ve sürekli çalışabilen elektrokimyasal cihazlardır. Şekil 1 de 150-200 o C sıcaklık aralığında çalışan fosforik asit yakıt hücresinin şematik görünümü gösterilmektedir. Fosforik asit yakıt hücreleri, adını elektrolit olarak kullanılan fosforik asitten almaktadır. Çalışma ve özellikleri açısından polimer elektrolit membran yakıt hücresi ile benzerlikleri vardır [4-5]. olarak yakıt hücrelerinde alternatif kullanımı ön plana çıkmakta ve konu ile ilgili araştırmalar sürdürülmektedir [7]. FeNiCo alaşımının katalitik özelliği açısından üçlü alaşımın nanopartikül yapısında olması, boyut-yüzey alanı ilişkisi, selektif oksidasyon ve birim alan başına kullanılacak malzeme miktarı açısından önem arz etmektedir. Bu çalışmada; 150-200 o C sıcaklık aralığında çalışan fosforik asit yakıt hücresinde kullanılmak üzere FeNiCo alaşım nanopartiküllerinin bir aşağıdan yukarı yaklaşımı olan USP-HR tekniği ile [8] yüksek safiyetteki 0,1 M FeNiCo nitrat başlangıç çözeltisinden üretimi, yapısal karakterizasyon çalışmaları ve Pt-C elektrod yerine kullanılması düşünülen FeNiCo alaşım nanopartiküllerinin COMSOL ile 3 boyutlu modellemesi fosforik yakıt hücresinin çalışma prensibine göre incelenmiştir. 2. Deneysel Çalışmalar Teknik Yazı 2.1. FeNiCo Nanopartiküllerinin Üretimi FeNiCo alaşım nanopartiküllerinin USP-HR yöntemiyle (Bknz. Şekil 2) üretilmesine yönelik 0,1 M başlangıç çözeltisi, Merck kalite Fe(NO 3 ) 3.6H 2 O, Ni(NO 3 ) 2.6H 2 O ve Co(NO 3 ) 2.6H 2 O tuzlarından saf su ile hazırlanmıştır. Şekil 1: Fosforik asit yakıt hücresi [5]. Yakıt hücrelerinde oksijen reaksiyonu için kullanılan karbon elektrotların soy metal nanopartikülleri ile katkılandırılmasıyla elektrokatalist özelliği geliştirilmiştir. Ancak, soy metallerin kullanılması maliyetleri arttırdığı gibi, platin grubu metallerin bulunabilirliği, geri kazanımı ve kullanıma bağlı olarak zamanla bozunması, soy metal içermeyen katalist malzemelerin geliştirilmesinde bir zorunluluk arz etmektedir [6]. Soy metallerin yerine farklı malzemelerin geliştirilmesi, yakıt hücrelerinin geliştirilmesinde ve yaygınlaşmasında önemli bir paya sahip olacağı düşünülmektedir. Bu noktada demir grubu metaller özellikle FeNiCo alaşımının geçiş metal alaşımı Şekil 2: Deney düzeneğinin genel görünümü 1) Atomizör 2) Atomizör güç kaynağı 3) Soğutma sistemi 4) Fırın 5) Akış ölçer 6) Kuvars tüp 7) Toz toplama şişesi 8) Azot gazı 9) Hidrojen gazı. Deneysel çalışmalar, 0,1 M konsantrasyona sahip başlangıç çözeltisinden sırasıyla 600, 800 ve 1000 o C redüksiyon sıcaklıklarında gerçekleştirilmiştir (Bknz. Çizelge 1, Deneysel Çalışma Koşulları). Metalurji Sayı:176 Ekim 2015 Türk Mühendis ve Mimar Odaları Birliği METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLERİ ODASI 27

Çözelti Konsantrasyonu (M) Sıcaklık ( C) H2 Gaz Akış Debisi (ml/dak.) Ultrasonik Frekans (MHz) 0,1 600 500 1,3 0,1 800 500 1,3 0,1 1000 500 1,3 Çizelge 1: USP-HR tekniği ile FeNiCo alaşım nanopartiküllerinin üretiminde kullanılan çalışma koşulları Başlangıç çözeltisinin atomizasyonu ile oluşan aerosol, yüksek saflıkta hidrojen gazı ile fırın ortamına taşındıktan sonra saniyelerle ifade edilen sürelerde termal parçalanma/redüksiyona uğratılmaktadır. Oluşan aerosol damlacıklarının atomizörden fırına, fırından da toplama şişelerine taşınması için 700 mm uzunlukta ve 20 mm çapında kuvars tüp ve çeşitli bağlantı ekipmanlarından faydalanılmıştır. Termal parçalanma/redüksiyon reaksiyon sonucu oluşan FeNiCo alaşım partikülleri gaz yıkama şişelerinde Merck kalite % 99,9 safiyette etil alkol (C 2 H 5 OH) içinde toplanmıştır. Deneysel çalışmalarda sabit gaz debisi ve sabit ultrasonik frekans değeri ile çalışılmıştır. Yapılan tüm deneylerde, deney düzeneğinden 0,1 l/dak. debi ile azot (N 2 ) gazı geçirilmiş ve inert ortam oluşturulmuştur. USP-HR tekniği ile üretilmiş FeNiCo alaşım nanopartiküllerinin yapısal karakterizasyon çalışmaları kapsamında, X-ışınları difraktometresi (Philips 1700) ve taramalı elektron mikroskobu (Jeol FEG SEM) kullanılmıştır. 2.2. Modelleme Çalışmaları Bu bölümde FeNiCo alaşım nanopartiküllerinin fosforik asit yakıt hücresinde alternatif elektrod malzemesi olarak kullanımına yönelik modelleme çalışmaları COMSOL Multiphysics modelleme ve simülasyon yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. Pt-C elektrotların FeNiCo alaşım nanopartikülleri ile performanslarının değerlendirilmesinde, yakıt hücresindeki performans değişiklikleri, polarizasyon grafiğindeki akım yoğunluğu değerindeki değişiklikler, H 2, O 2 ve H 2 O molar konsantrasyon değerlerindeki değişiklikler tanımlanmıştır (%20 Pt-C elektrodun (0,03 mg/cm 2 ) elektriksel iletkenlik değeri 31,7 S/m dir. FeNiCo-C malzemesinin elektriksel iletkenlik değeri ise 55 S/m dir). Yakıt hücresinde, akış dinamiklerinin reaksiyon kinetiğine etkisi kartezyen koordinatta inceleneceği için geometri 3 boyutlu olarak modellenmiştir. Elektriksel iletkenliğin elektrot performansına, dolaylı olarak da yakıt hücresi genel performansına etkisi yakıt hücresi birimi üzerinden incelenmiştir (İnterkonnektör parçanın performansa etkisi dikkate alınmamıştır.). İncelemelere temel teşkil eden birim yakıt hücresi, aşağıdan yukarıya doğru sırasıyla anot gaz kanalı, anot gaz difüzyon tabakası, anot elektrodu, membran, katot elektrodu, katot gaz difüzyon tabakası ve katot gaz kanalından oluşmaktadır. Ayrıca, anot elektrodundan akım yoğunluğu ölçümü için prob tanımlaması yapılmıştır. İnterkonnektör parçanın bulunmadığı yakıt hücresi birimi şekil 3 de tanımlanmıştır. Şekil 3: Birim yakıt hücresi 3. Sonuçlar 3.1. FeNiCo Alaşım Nanopartiküllerinin USP-HR Tekniği ile Üretimi USP-HR tekniği ile FeNiCo nanopartiküllerinin üretiminde; sıcaklık değişiminin partikül morfolojisi, partikül boyutu ve boyut dağılımı üzerine etkileri deneylerin gerçekleştirildiği 600, 800 ve 1000⁰C redüksiyon sıcaklıklarında incelenmiştir. Ayrıca X-ışınları difroktometresi ile FeNiCo partiküllerinin faz analizi ve kristal yapı analizi gerçekleştirilmiştir. 600, 800 ve 1000 C redüksiyon sıcaklıklarında 0,1 M konsantrasyona sahip başlangıç çözeltilerinden üretilen FeNiCo nanopartiküllerinin XRD paternleri Şekil 4 de gösterilmiştir. 28 Türk Mühendis ve Mimar Odaları Birliği METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLERİ ODASI Metalurji Sayı:176 Ekim 2015

Çizelge 2 den de görüldüğü gibi redüksiyon sıcaklığının artması kristalit boyutunun artmasına neden olmuştur. 0,1 M konsantrasyona sahip partiküllerin şekil 5 de verilen SEM görüntüleri incelendiğinde, 600 C de partiküllerin tamamen yoğunlaşamadığı görülmektedir. 1000 C de üretilen partiküllerin sinterlenmenin etkisi ile beraber daha yoğun olduğu ve partikül boyutunun arttığı gözlemlenmektedir. EDS analizi sonucu yapıda safsızlık bulunmadığı tespit edilmiş; yapının tamamen Fe, Ni ve Co dan oluştuğu belirlenmiştir. Teknik Yazı Şekil 4: FeNiCo alaşım nanopartikülleri XRD paternleri (0,1 M, 0,5 l/dak. H 2 debisi ve 1,3 MHz ultrasonik frekans) Şekil 4 de X-ışınları verilen FeNiCo nanopartiküllerinin yaklaşık 43, 52 ve 75 de sırasıyla (111), (200) ve (220) düzlemlerinde 3 ana pike sahip olduğu ve gözlenen piklerin kübik yapıda Fe, Ni ve Co ı temsil ettiği belirlenmiştir. USP-HR yönteminde partikül boyut ve morfolojisini etkileyen parametrelerden biri de sıcaklıktır. Artan sıcaklıkla birlikte oluşan partiküller arasında daha fazla çarpışmanın gerçekleşeceği, bu artışa bağlı olarak aerosol damlacıklarının temas ve birleşme oranının artmasıyla daha büyük partikül oluşumu beklenmektedir. Dolayısıyla sıcaklık etkisinin partikül boyutu ile doğru orantılı olduğu söylenebilir. Ancak sıcaklığın artışı ile taşıyıcı gazın hacmi artmakta ve damlacıkların fırın ortamında kalış süresi azalmaktadır. Bu bölümde demir-nikel-kobalt nitrat başlangıç çözeltisinden sabit konsantrasyon ve farklı sıcaklıklarda yapılan deneyler ile üretilmiş FeNiCo partiküllerinin kristalit boyutları Scherrer eşitliğine göre hesaplanmıştır (Bknz. Eşitlik 1 ve Çizelge 2). t= (K x λ )/( B x cosθ ) (Eşitlik 1) Bu eşitlikte; t = Kristalin Boyutu K = Şekil Sabiti (0.9) λ = X-ışını dalga boyu (Cu Kα=1,5418 Α) B = En şiddetli pikin yarı yüksekliğinin radyan cinsinden genişliği (FWHM) Θ = Bragg açısı Şekil 5: FeNiCo partiküllerinin SEM görüntüleri ve EDS analizi (0,1 M başlangıç çözeltisi; 600 C, 800 C ve 1000 C). 3.2. FeNiCo Alaşım Nanopartikülleri Kullanılan Elektrotların Performans Analizi Sonuçları Hücre voltajı-akım yoğunluğu değerlerinin karşılaştırıldığı polarizasyon analizi sonuçları şekil 6 da Pt-C ve şekil 7 de FeNiCo için verilmiştir. Çözelti Molaritesi (mol/l) Sıcaklık (ºC) Kristalit Boyu (nm) 0,1 600 29,8 0,1 800 59,5 0,1 1000 71,4 Çizelge 2: 0,1 M konsantrasyona sahip çözeltilerden 600, 800 ve 1000 C redüksiyon sıcaklıklarında USP-HR tekniği ile üretilmiş FeNiCo nanopartiküllerinin kristalit boyutu. Şekil 6: Pt-C elektrodu polarizasyon grafiği Metalurji Sayı:176 Ekim 2015 Türk Mühendis ve Mimar Odaları Birliği METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLERİ ODASI 29

Şekil 7: FeNiCo elektrodu polarizasyon grafiği Şekil 6 ve 7 de hücre voltajına göre değişen ortalama akım yoğunluğu değerleri incelendiğinde, FeNiCo elektrodunun daha geniş ortalama akım yoğunluğu eksenine sahip olduğu, ve Pt-C elektroduna karşılık gelen değerlerden daha yüksek akım yoğunluğu değerleri gösterdiği belirlenmiştir (>0,5 A/cm 2 ). Elektrolit-akım yoğunluğu ilişkisinin belirlenmesine yönelik elektrolitin z ekseninden kesit alınarak, akım yoğunluğunun çizgisel dağılımı incelenmiştir. Şekil 8 de, Pt-C, şekil 9 da FeNiCo elektrodunun bulunduğu yakıt hücrelerinden alınan sonuçlar gösterilmektedir. Şekil 9: FeNiCo elektrot içeren yakıt hücresinin elektrolit z ekseni akım yoğunluğu grafiği Şekil 8 ve 9 karşılaştırıldığında sınır değerleri değişmekle birlikte, FeNiCo-C içeren elektrotlu yakıt hücresindeki elektrolit daha yüksek akım yoğunluğu değerleri göstermiştir. Anot bölgesi H 2 gazı incelendiğinde; yakıt olarak kullanılan H 2 gazının anot bölgesi boyunca gösterdiği molar konsantrasyon değişikliği şekil 10 da Pt-C ve şekil 11 de FeNiCo elektrodu için modellenmiştir. Şekil 8: Pt-C elektrot içeren yakıt hücresinin elektrolit z ekseni akım yoğunluğu grafiği Şekil 10: Pt-C elektrodu kullanılan yakıt hücresinde anot bölgesinde H 2 30 Türk Mühendis ve Mimar Odaları Birliği METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLERİ ODASI Metalurji Sayı:176 Ekim 2015

Şekil 11: FeNiCo elektrodu kullanılan yakıt hücresinde anot bölgesinde H 2 Şekil 10 ve şekil 11 deki sonuçlar incelendiğinde, H 2 gazı molar konsantrasyon dağılımında elektrotlar arasında fark oluşmadığı, ancak alt sınır değerinde değişiklik olduğu gözlenmiştir. Pt-C elektrodu kullanılan yakıt hücresinde alt sınır değeri 25,5 mol/m 3 iken, FeNiCo içeren elektrodun kullanıldığı yakıt hücresinde alt sınır değeri 25,4 mol/m 3 tür. Yani FeNiCo içeren elektrot kullanılan yakıt hücresinde daha fazla H 2 gazı reaksiyona girmiştir. Katot bölgesi O 2 gazı ne yönelik modelleme çalışmalarında; şekil 12 ve 13 deki sonuçlar elde edilmiştir (Şekil 12: Pt-C, Şekil 13: FeNiCo elektrodu). Şekil 13: FeNiCo elektrodu kullanılan yakıt hücresinde katot bölgesinde O 2 O 2 gazı molar konsantrasyon dağılımında elektrotlar arasında fark oluşmadığı, ancak alt sınır değerinde değişiklik olduğu gözlenmiştir. Pt-C elektrodu kullanılan yakıt hücresinde alt sınır değeri 2,98 mol/m 3 iken, FeNiCo içeren elektrodun kullanıldığı yakıt hücresinde alt sınır değeri 2,3 mol/m 3 tür. Yani FeNiCo içeren elektrot kullanılan yakıt hücresinde daha fazla O 2 gazı reaksiyona girmektedir. Bu sonuç, H 2 gazının kullanımının artmasıyla benzerlik göstermektedir. Yakıt hücresinde H 2 O modelleme sonuçları şekil 14 de Pt-C, şekil 15 de FeNiCo elektrodu için hesaplanmıştır. Şekil 12: Pt-C elektrodu kullanılan yakıt hücresinde katot bölgesinde O 2 Şekil 14: Pt-C elektrodu kullanılan yakıt hücresinde H 2 O molar konsantrasyon değişimi Metalurji Sayı:176 Ekim 2015 Türk Mühendis ve Mimar Odaları Birliği METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLERİ ODASI 31

Empedans analizi sonucuna göre; iki farklı elektrodun benzer özellikler gösterdiği tespit edilmiştir (ohmik kayıplar, dirençler ve elektrot kinetik direnci açısından). 4. Genel Sonuçlar Şekil 15: FeNiCo-C elektrodu kullanılan yakıt hücresinde H 2 O Şekil 14 ve şekil 15 deki sonuçlar incelendiğinde, H 2 O molar konsantrasyon dağılımında üst sınır değerlerinde değişiklik olduğu belirlenmiştir. Pt-C elektrodu kullanılan yakıt hücresinde üst sınır değeri anot bölgesi için 1,27 mol/m 3 ve katot bölgesi için 4,92 mol/m 3 tür. FeNiCo elektrodlu yakıt hücresinde üst sınır değeri anot bölgesi için 1,38 mol/m 3, katot bölgesi için 6,01 mol/m 3 tür. Yani FeNiCo içeren elektrot kullanılan yakıt hücresinde daha fazla H 2 O oluşmuştur. Bu sonuçlar H 2 ve O 2 gazlarının yle paralel değişiklik göstermektedir. Pt-C elektrodu ile FeNiCo elektrodunun kullanıldığı yakıt hücrelerinde; elektrolit ve katot kullanılarak gerçekleştirilen empedans analizi modelleme çalışmaları 1-1000 Hz frekans aralığında yapılmıştır. Elektrotların elektriksel iletkenlik değerlerinin empedans analizine etkisi şekil 16 da gösterilmiştir. USP-HR tekniğiyle 0,1 M FeNiCo nitrat başlangıç çözeltisinden 600, 800 ve 1000⁰C de çalışma (redüksiyon) sıcaklıklarında üretilen FeNiCo alaşım nanopartiküllerinin yapısal karakterizasyon çalışmalarında (SEM-EDS, XRD), üretilen nanopartiküllerin küresel morfolojide demir, nikel ve kobalt partiküllerinden oluştuğu ve XRD paternlerinden de FCC ve BCC karışık yapıda olduğu görülmüştür. Modelleme çalışmaları ile, FeNiCo nanopartiküllerin elektrot mazlemesi olarak kullanıldığı fosforik asit yakıt hücresi elektrodu, konvansiyenel kullanımda olan Pt-C yapılı elektrotlarla karşılaştırılarak, yakıt hücresi üzerindeki performans değişiklikleri incelenmiştir. Modelleme ve simülasyon çalışmaları sonucunda, FeNiCo nanopartikülleri içeren elektrodun Pt-C yapılı elektrotlardan daha iyi performans gösterdiği, yakıt hücresi elektrodu olarak uygun bir malzeme olduğu değerlendirilmiştir. Gerçekleştirilen empendans analizi ile, iki elektrodun benzer ohmik kayıp ve direnç karakteristiklerine sahip olduğu belirlenmiştir. Kaynaklar [1] Schmid, G., (2008), Nanotechnology, Wiley-CHV, v.1, s. 3. [2] Feynman, R. (1960), There s Plenty of Room at the Bottom, Caltech Engineering and Science, 23, s. 22-36. [3] C. Toparli, B. Ebin, S. Gürmen, (2013), Iron-nickelcobalt (Fe-Ni-Co) alloy particles prepared by ultrasonic spray pyrolysis and hydrogen reduction (USP-HR) method, Ceram. Trans. 240, 247-254. [4] Hoogers, G., (2003), Fuel Cell Technology Handbook, CRC Press LLC, ISBN 0-8493-0877-1. [5] http://energy.gov/eere/fuelcells/fuel-cells, Erişim Tarihi: 21-12-2014 [6] Othman, R., Dicks, A.L., Zhu, Z., (2012), Non precious metal catalysts for the PEM fuel cell cathode, International journal of hydrogen energy, 37, s. 357-372. [7] Xie, Z., Zhu, W., Zhu, B., Xia, C., (2006), FexCo0.5 xni0.5 SDC anodes for low-temperature solid oxide fuel cells, Electrochimica Acta, 51, s. 3052-3057. Şekil 16: Nyquist Eğrisi [8] Gürmen, S., Ebin, B. (2008), Nanopartiküller ve Üretim Yöntemleri 1, Metalurji Dergisi, 150. Sayı, s. 31-38. 32 Türk Mühendis ve Mimar Odaları Birliği METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLERİ ODASI Metalurji Sayı:176 Ekim 2015