Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücresi için Yüksek Performanslı Bimetallik Katalizör Geliştirilmesi

Abstract

Artan nüfus ve azalan fosil yakıtlar nedeniyle ciddi bir endişe kaynağı olan enerji ihtiyacındaki artış araştırmacıları alternatif bir kaynak olarak yenilenebilir enerji kaynaklarına yönlendirmiştir. Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücresi (PEMFC) yüksek verimliliği, hafif olması, düşük emisyon, hızlı başlatma ve kapatma gibi özellikleri nedeniyle taşınabilir ve sabit uygulamalarda dünya çapında önemli ve alternatif bir teknolojidir. Yüksek sıcaklık PEMFC (HT-PEMFC), düşük sıcaklık PEMFCde (LT-PEMFC) yaşanan karbon monoksit (CO) zehirlenmesi, nemlendirme, ısı ve su yönetimi sorunlarını azalttığı için tercih edilmektedir. Bu tezde, HT-PEMFC için sentezlenen Pt:Pd bimetalik katalizörlerinin hazırlanmasında katalizör desteği olarak çok duvarlı karbon nanotüp yüklenmiş grafen nanoplaka (MWCNT-GNP), MWCNT ve GNP kullanılmıştır. Katalizör metallerin farklı desteklere dağılımı, mikrodalga yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Katalizörlerin metallerinin morfolojisi, kimyasal yapısı ve yüzde oranı, X-ışını kırınımı (XRD), termal gravimetrik analiz (TGA), transmisyon elektron mikroskobu (TEM) ve indüktif olarak eşleşmiş plazma kütle spektroskopisi (ICP-MS) kullanılarak tanımlanmıştır. TGA analizi katalizörlerin termal kararlılığının arttığı doğrulanmıştır. TEM ile dispersiyon ve katalizörlerin düzgün ve homojen dağılımı gösterilmiştir. Katalizörlerin elektrokimyasal yüzey alanı (ECSA), döngüsel voltametri (CV) yardımı ile hesaplanmıştır. Pt:Pd/MWCNT-GNP, Pt:Pd/GNP ve Pt:Pd/MWCNT katalizörleri için ECSA sırası ile 43.8 m2/g, 53.5 m2/g ve 71.7 m2/g'dır. En düşük ECSA kaybı % 48 olarak PtPd/MWCNT-GNP katalizöründe elde edilmiştir. Sonuçlar, Pt:Pd/MWCNT-GNP'nin daha iyi birikim, homojen dağılım ve diğer katalizörlere kıyasla daha yüksek ECSA sayesinde HT-PEMFC için daha uygun bir katalizör olduğunu göstermiştir. Bimetalik katalizörlerin performansı, bu MEA'ler ile hazırlanan tek hücreli HT-PEMFC'e 160 oC'de saf H2, reformat gaz ve kuru hava beslemelerinde test edilmiştir. Sonuçlar içerisinde en iyi sonuçları Pt-Pd/MWCNT-GNP katalizörü, 0.6 V'da saf H2/hava ve reformat gaz/hava beslemeleri için sırasıyla 0.3 A/cm2 ve 0.24 A/cm2 akım yoğunlukları ile göstermişlerdir.Despite the growing energy demand due to the growing population and lack of fossil fuels, which is a serious concern, there must be an alternative source where research focused on renewable energy sources. Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) is an important and alternative technology worldwide in automotive, portable and stationary applications due to their high-efficiency, zero-emission, lightweight, fast start-up and shut down properties. High-Temperature PEMFC (HT-PEMFC) eliminates some of the issues facing Low-Temperature PEMFC (LT-PEMFC) such as carbon monoxide (CO) poisoning, humidity, heat and water management. In this thesis, Multiwalled Carbon Nanotube Doped Graphene Nanoplatelet (MWCNT-GNP), MWCNT and GNP have been used as catalyst supports for the Pt:Pd bimetallic catalysts of the HT-PEMFC. The study of the dispersion of the catalyst nanoparticles on the different supports was achieved by using microwave assisted synthesis. The morphology, chemical structure and the percentage metal ratio of catalysts were characterized by using X‐ray diffraction (XRD), Thermogravimetric Analysis (TGA), Transmission Electron Microscopy (TEM) and Inductively Coupled Plasma-Mass Spectroscopy (ICP-MS). TGA has confirmed the improved thermal stability of catalysts. TEM was demonstrated dispersion and uniform distribution of the catalysts. The Electrochemical Surface Area (ECSA) of the catalysts was determined by using Cyclic Voltammetry (CV) method. ECSA of Pt:Pd/MWCNT-GNP catalyst and Pt:Pd/GNP and Pt:Pd/MWCNT catalysts were calculated as 43.8 m2/g, 53.5 m2/g and 71.7 m2/g, respectively. The lowest ECSA loss was determined at 48 % in Pt:Pd/MWCNT-GNP catalyst. The results indicated that better deposition, uniform distribution and higher electrochemical surface area of the Pt:Pd/MWCNT-GNP catalyst compared to the other catalysts. The performance of the bimetallic catalyst has been confirmed on the HT-PEMFC performance test based with the pure H2/air and reformate gas/air experiment at 160°C. Results of the experimental performance test showed the current density at 0.6 V is 0.3 A/cm2 and 0.24 A/cm2 with pure H2/air and reformate gas/air, respectively for Pt:Pd/MWCNT-GNP catalyst. If HT-PEMFC performance results are compared, it is determined that the best performing catalyst is Pt:Pd/MWCNT-GNP catalyst.