PEM yakıt hücrelerinde kullanılan anot katalizörünün sentezi, karakterizasyonu ve hücre performansına etkisinin incelenmesi
Investigation of the synthesis, characterization, and effect on cell performance of anode catalyst used in PEM fuel cells
Yazar: SERKAN KARADENİZ
Danışman: PROF. DR. NEZİHE AYAS
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Temel İşlemler ve Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Elektrokatalizör = Electrocatalyst

Özet:
Dünya çapındaki enerji krizine sürdürülebilir çözümler arayışında, PEM yakıt hücreleri (PEMYH), çevre dostu bir enerji üretim sistemi olarak dikkat çekmektedir. Bu tez kapsamında, PEMYH'de kullanılan Pt/C, Ru/C ve PtRu/C katalizörlerinin sentezi için poliol yöntemi modifiye edilerek, yüksek basınç koşullarında çalışabilen, literatürde bulunmayan, mikrodalga destekli alternatif bir poliol yöntemi geliştirilmiştir. Bu sayede, poliol sentezinde kullanılan çözeltinin kaynama noktası ile sınırlı kalmadan, yüksek sıcaklıklarda ve basınçlarda katalizör sentezi gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, referans oluşturmak için, konvansiyonel ısıtma ve atmosferik basınçta mikrodalga ısıtma yöntemleriyle de katalizörler sentezlenmiştir. Pt/C katalizörleri için sıcaklık (140 - 240 °C) ve pH (12,0 - 13,0) etkisi incelenmiştir. Ru/C katalizöründe sıcaklık etkisi 160 -240 °C aralığında incelenmiş, elde edilen bulgulara bağlı olarak PtRu/C katalizörleri 200 ve 240 °C sıcaklığında sentezlenmiştir. Sentez sürecinde yapılan pH ve sıcaklık iyileştirmelerine bağlı olarak sentezlenen Pt nanoparçacıklarının boyutlarının etkin olarak kontrolü sağlanmış, 1,5 nm'den küçük boyutlarda Pt, Ru ve PtRu nanoparçacıklarının sentezi gerçekleştirilerek karbon destek üzerine yüklenmiştir. Karakterizasyon çalışmaları TGA, FTIR, XRD, SEM-EDS, TEM, BET ve CV ve LSV yöntemleri ile yapılmıştır. Aktivite testleri için, anot tarafında bu çalışmada sentezlenen katalizörler, katot tarafında ise ticari katalizör kullanılarak, Nafion membran ile MEA hazırlanmıştır. Aktiviteler, tek hücreli sistemde, Taguchi yönteminin kullanıldığı deney tasarımı çalışmalarıyla belirlenmiş, hidrojen ve hava besleme hızlarının yanında, hücre sıcaklığının etkisi üç farklı seviyede incelenerek, ticari katalizör ve sentezlenen katalizörlerin aktiviteleri karşılaştırılmıştır. Yüksek sıcaklıklarda sentezlenen katalizörler, ticari Pt/C (223 mW/cm2 @ 70 °C) ile kıyaslanabilecek aktiviteler gösterirken, Pt/C-160 katalizörü ise %19 daha yüksek anot aktivitesi (266 mW/cm2) göstermiştir.

Abstract:
In the search for sustainable solutions to the worldwide energy crisis, PEM fuel cells (PEMFCs) are attracting attention as an environmentally friendly energy production system. Within the scope of this thesis, an alternative microwave-assisted polyol method, which is not present in the literature and can operate under high pressure conditions, has been developed by modifying the polyol method for the synthesis of Pt/C, Ru/C and PtRu/C catalysts used in PEMFCs. This method allowed for catalyst synthesis at high temperatures and pressures, without being constrained by the boiling point of the mixture typically used in polyol synthesis. Additionally, catalysts were synthesized using conventional heating and microwave heating under atmospheric pressure to serve as references. For Pt/C catalysts, the effects of temperature (140–240 °C) and pH (12.0–13.0) were examined. For Ru/C catalysts, the temperature effect was investigated in the range of 160–240 °C, and based on the findings, PtRu/C catalysts were synthesized at 200 °C and 240 °C. By optimizing pH and temperature during the synthesis process, the sizes of the synthesized Pt nanoparticles were effectively controlled, achieving Pt, Ru, and PtRu nanoparticles smaller than 1.5 nm without the use of external stabilizing chemicals and successfully depositing them onto carbon supports. Characterization studies were carried out using TGA, FTIR, XRD, SEM-EDS, TEM, BET, CV, and LSV methods. For the activity tests, MEAs were prepared with the catalysts synthesized in this study on the anode side, commercial catalysts on the cathode side, and a Nafion membrane. The activities were determined in a single-cell system using experimental designs based on the Taguchi method. The effects of hydrogen and air feed rates, as well as cell temperature, were examined at three different levels, and the activities of commercial and synthesized catalysts were compared. Catalysts synthesized at high temperatures demonstrated activities comparable to commercial Pt/C (223 mW/cm² @ 70 °C), while the Pt/C-160 catalyst exhibited 19% higher anode activity (266 mW/cm²).