Topaklaşma ve karbon korozyonu sorunlarının giderilmesi amacıyla özgün yapıda katalizör sentezi ve yakıt hücresi çalışma koşullarının geliştirilmesi

Abstract

Bu çalışmada PEM tipi yakıt hücrelerinin katalizör tabakasında özellikle uzun süreli çalışma durumunda sıklıkla görülen topaklaşma ve karbon korozyonu sorunlarına karşı dayanıklı bir katalizör geliştirilmeye çalışılmıştır. Bu amaçla yaygın bir şekilde kullanılan Vulcan XC-72 karbon karası destek malzemesi yerine aerogel yapıda karbon-silika destek malzemesi kullanılmıştır. Yüksek performansa sahip katalizör sentezlenmesi için NaBH4 ile indirgenme metodu modifiye edilmiştir. Sentez metodunun modifikasyonu ve laboratuar şartlarında farklı kompozisyonlarda hazırlanan aerogel yapıdaki karbon-silika kompozit malzemesi tamamen özgün bir katalizör sentezlenmesini sağlamıştır.Aerogel yapıdaki silikanın yol açtığı yüzey alanı artışı, dayanıklılıkla beraber performansında artmasını sağlamıştır. Sentezlenen katalizörler kullanılarak yakıt hücreleri hazırlanmıştır. Yakıt hücresi hazırlama işlemi optimize edildikten sonra farklı destek malzemesi kullanımının yakıt hücresi performansına ve dayanıklılığına etkisi incelenmiştir. Bu tez çalışmasında TGA, XPS, SEM, TEM, DLS ve BET gibi analitik yöntemler ile malzeme karakterizasyonu, Sıvı Elektrolitte Döngüsel Voltametri gibi yöntemlerle ex-situ analizler ve Yakıt Hücresi Ortamında Döngüsel Voltametri, Performans ve Dayanıklılık Ölçümleri ve Empedans Spektroskopi gibi testlerle de in-situ analizler yapılmıştır.Yapılan analizler ve testler sonrasında sentezlenen katalizörlerden 5 wt% SiO2 içeren destek malzemesi ile sentezlenen ve 45 wt% Platin içeren katalizörler yüksek performans ve dayanıklılık göstermiştir. Beklenildiği üzere bu katalizörler kullanılarak hazırlanan yakıt hücreleri en iyi performansı göstermişlerdir. Yakıt hücrelerine hızlandırılmış dayanıklılık testleri uygulanmıştır.In this study, a durable catalyst is developed overlaying the agglomeration and carbon corrosion problems which are commonly seen during long term operations at the catalyst layer of PEM type of fuel cells. A custom made aerogel type carbon-silica composite support material was used instead of commonly used Vulcan XC-72 carbon. The NaBH4 reduction method was modified for high performance catalyst synthesis. The modified synthesis method and use of aerogel type carbon-silica composite prepared in laboratory conditions with varying compositions resulted in a unique catalyst synthesis.The increase on the surface area due to the aerogel structured silica addition improved the performance as well as durability. The effect of different support material use on fuel cell performance and durability was investigated after the fuel cell preparation optimization process. In this study, analytical methods like TGA, XPS, SEM, TEM, DLS and BET was used for material characterization, Cyclic Voltametry in Liquid Environment was used for ex-situ analysis? and Cyclic Voltametry in Fuel Cell Environment, Performance and Durability Measurements and Impedance Spectroscopy Methods were used for in-situ analysis?.After several analysis? and tests the catalyst with 45 wt% Platinum loading synthesized with the support material containing 5 wt% SiO2 show amazing performance and durability. As expected, the fuel cells prepared using these catalysts showed the best performance. Accelerated durability tests were implemented on fuel cells.