Mikro Ölçekli, MEMS Tabanlı Mikrobik Yakıt Pili (µMYP) Geliştirilmesi

2016-10-01
Külah, Haluk
Özgür, Ebru
Zorlu, Özge
Erkal, Nilüfer Afşar
Şen Doğan, Begüm
Uçkan, Mila
Yaşar, Oğuz
Naghınejhad, Parisa
Yılmaz, Ahmet Erdal
Kangül, Mustafa
Mikrobik yakıt pilleri (MYP) konvansiyonel yakıt pillerinde kullanılan metal katalizörlerin aksine mikroorganizmaların katalizör olarak kullanıldığı, kimyasal enerjiyi elektriksel enerjiye dönüştüren elektrokimyasal cihazlardır. Makro ölçekte organik atıkların arıtılması ve yenilenebilir elektrik enerjisi üretimi amacıyla kullanılan bu tip cihazların, mikro-litre ölçeklerinde, Mikro Elektro Mekanik Sistemler (MEMS) kullanılarak üretilebileceği ve bu cihazlardan mikro ölçeklerde güç sağlanabileceği görülmüştür. Mikro ölçekli mikrobiyal yakıt pillerinin (µMYP) biyomedikal uygulamalar için geliştirilen BiyoMEMS cihazlarına enerji sağlayabileceği, örneğin vücut içi ilaç salınım sistemlerine entegre edilebileceği veya kendi başına bir biyoalgılayıcı olarak kullanılabileceği öngörülmektedir. µMYP’lerin temel avantajı boyutların olabildiğince küçülmesinden doğmaktadır. Mikro ölçekte elektrot yüzey alanının hacme oranı maksimize edildiğinden kütle transfer direnci minimuma iner. MEMS teknolojisi kullanılarak µL hacminde MYP’ler üretilebilir. Literatürde çeşitli µMYP çalışmaları farklı mikroorganizmalar kullanılarak gösterilmiş, µW düzeylerinde güç elde edilebilmiştir. Bu çalışmalarda karşılaşılan temel sorun iç direncin yüksek olmasına dayalı verim düşüklüğüdür. Ayrıca, O2 geçirgenliği yüksek olan PDMS malzemesi kullanıldığından, verim makro ölçekli çalışmalara kıyasla düşük kalmıştır. Bu çalışmanın amacı mikro ölçekli bir µMYP prototipi geliştirmektir. Öncelikle farklı µMYP dizaynları oluşturularak elektrot yüzey alanı, hacim ve elektrotlar arası uzaklık gibi değişkenlerin verim üzerine etkilerinin araştırılması ve optimum çalışma koşullarına sahip, mikro ölçekli cihazlara entegre edilebilecek bir mikrobik yakıt pilinin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Önerilen proje aşağıda belirtilen özgün değerlere sahiptir: • Silisyum kullanımı sayesinde oksijen geçirgenliği probleminin çözüldüğü yeni bir µMYP geliştirilmiştir. Bu sayede geliştirilen yapı çip-üstü-laboratuvar sistemleri ile entegrasyona ve seri üretime daha uygun haldedir. • Özgün yüzey aktivasyonu metotları sayesinde elektron iletimi ve başlangıç süresi açısından daha yüksek performansa sahip µMYP’ler geliştirilmiştir. Oluşturulan prototipler seçilen egzoelektrojenik bakteri (Shewanella oneidensis) ile test edilmiş ve performansı etkileyen parametreleri belirlenmiştir. Bu çalışmanın sonucunda 169 µW/cm3 güç, 2117 µA/cm3 akım yoğunluğu seviyesinin üzerinde bir kapasiteye sahip, start-up süresi %86 düşürülmüş, (7 günden 1 güne) tamamen MEMS tabanlı bir µMYP geliştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar yurt içi ve yurt dışı konferanslarda paylaşılmıştır.

Suggestions

Combinatorial development of LSC-113/LSC-214 cathode materials for intermediate temperature solid oxide fuel cells
Sarı, Doğancan; Öztürk, Tayfur; Kalay, Yunus Eren; Department of Metallurgical and Materials Engineering (2017)
Solid oxide fuel cells are environmentally friendly, efficient and fuel versatile energy conversion devices which suffer from high operating temperatures. For lowering the operating temperatures of solid oxide fuel cells (SOFC), LSC-113/LSC-214 composite cathodes have recently attracted much attention due to their enhanced kinetics. However, the full potential of this novel system is still unknown. In this study, a combinatorial approach was used to develop cathode materials which would reduce operating tem...
First and second law analyses of a biomass fulled solid oxide fuel ceel-micro turbine hybrid system
Arabacı, Selin; Yüncü, Hafit; Department of Mechanical Engineering (2008)
Fuel cells are direct energy conversion devices to generate electricity. They have the lowest emission level of all forms of electricity generation. Fuel cells require no combustion of the fuel. The thermal energy gained from fuel cells may be utilized in micro turbines (gas turbines). In this work, first and second law analyses are performed on a hybrid system consisting of a solid oxide fuel cell (SOFC) combined with a micro turbine to be able to find an optimum point of pressure and corresponding mass ra...
PEM fuel cell degradation: numerical investigation and effects on the performance of solar-hydrogen based renewable energy systems
Özden, Ender; Tarı, İlker; Department of Mechanical Engineering (2015)
A hybrid (Solar-Hydrogen) renewable energy system consisting of Photovoltaic (PV) panels, Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells, PEM based electrolyzers and hydrogen storage has been investigated for a stand-alone application. A complete model of the hybrid renewable energy system has been developed using TRNSYS against a reference system, which was established for the emergency room of Keçiören Research and Training Hospital in Ankara. The main goal of the study is to verify that the system meets the e...
PEM Yakıt pilleri için kompozit membranlar ve elektrokatalizörlerin geliştirilmesi ve uzun dönem performanslarının belirlenmesi
Eroğlu, İnci; Baç, Nurcan; Bayrakçeken, Ayşe; Devrim, Yılser; Erkan, Serdar; Fıçıcılar, Berker; Güvenatam, Burcu; Şayin, Seda E.; Saygılı, Yasemin; Avcıoğlu, Gökçe S.(2012)
Proton değişim membranlı (PEM) yakıt pilleri, hidrojen enerji sisteminin en önemli cihazlarından biridir. Her geçen gün ticari uygulaması yaygınlaşmaktadır. Bu yeni teknolojinin gelişiminde yer almamız önemlidir. Bu projenin amacı PEM yakıt pillerinin en önemli elemanı olan membran elektrot bileşimini oluşturan proton iletim özelliğine sahip zarların iyileştirilmesi, etkin karbon destek yapıların ve elektrokatalizörlerin hazırlanması, elektrot üretim teknolojisinin geliştirilmesi ve bu malzemeleri...
Preparation and performance of membrane electrode assemblies with nafion and alternative polymer electrolyte membranes
Şengül, Erce; Eroğlu, İnci; Department of Chemical Engineering (2007)
Hydrogen and oxygen or air polymer electrolyte membrane fuel cell is one of the most promising electrical energy conversion devices for a sustainable future due to its high efficiency and zero emission. Membrane electrode assembly (MEA), in which electrochemical reactions occur, is stated to be the heart of the fuel cell. The aim of this study was to develop methods for preparation of MEA with alternative polymer electrolyte membranes and compare their performances with the conventional Nafion® membrane. Th...
Citation Formats
H. Külah et al., “Mikro Ölçekli, MEMS Tabanlı Mikrobik Yakıt Pili (µMYP) Geliştirilmesi,” 2016. Accessed: 00, 2022. [Online]. Available: https://hdl.handle.net/11511/95854.