Mürekkep püskürtmeli yazıcı tekniği ile pem yakıt pili elektrotlarının hazırlanması
Preparation of pem fuel cell electrodes using inkjet printing technique
Yazar: SAMET DALMIŞ
Danışman: PROF. DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN YURTCAN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı / Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
: Bu araştırmanın amacı, Polimer Elektrolit Membranlı Yakıt Pili (PEMYP) elektrotlarının hazırlanması için parametrelerin optimize edilmesi, sprey tabancası ile elle sprey yöntemiyle Membran MEA hazırlayıp daha sonra mürekkep püskürtmeli baskı yöntemiyle farklı Pt yüklemelerine sahip elektrotlarile hazırlanacak Membran Elektrot Bileşimi (MEA) üretim süreçlerinin optimize edilmesini ve karşılaştırmasını sağlamaktır. Bu kapsamda amaca uygun bir PEMYP mürekkep püskürtmeli yazıcı kullanılması suretiyle bir PEMYP 'nin çalışma şartlarının iyileştirilmesi için deneyler yürütülmüş ve ortaya çıkan sonuçlar irdelenmiştir. Hazırlanan elektrotların fiziksel karakterizasyon analizleri yapılmıştır. Çalışma neticesinde farklı Platin (Pt) yüklemelerine sahip elektrotların fiziksel özelliklerindeki değişiklikler  belirlenmiştir.

Yöntem: Hazırlanan katalizör mürekkebi ticari gaz difüzyon tabakası üzerine mürekkep püskürtmeli yazıcı kullanılarak farklı Pt yüklemelerinde kaplanarak elektrotlar elde edilmiştir. Mürekkep püskürtmeli yazıcı ile elde edilen elektrotların kristal yapıları X Işını Difraksiyon Spektroskopisi (XRD), yüzey morfolojileri ve film kalınlıkları Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) görüntüleri ile karakterize edilmiştir.  
  
Bulgular: Hazırlanan katalizörlerin kristal yapıları XRD ile incelenmiştir. XRD analizi için ölçümler 10° ≤ 2θ ≤90° aralığında yapılmıştır. Katalizörlerin XRD grafiklerinde yüzey merkezli kübik Pt'nin ana karakteristik düzlemlerine karşılık geldiği bulgulanmıştır.
	İçerik olarak birbirinden farklı hazırlanmış elektrotların yüzey görüntüleri ve kesit görüntüleri, Doğu Anadolu Yüksek Teknoloji Uygulama ve Araştırma Merkezi (DAYTAM)'nde bulunan SEM cihazı ile görüntüleme yapılarak elde edilmiştir. Yüzey görüntüleri, kullanılan malzemelerin yüzey üzerinde ne kadar homojen bir dağılıma sahip olduğuna dair fikir vermektedir. Aynı zamanda farklı kaplama kalınlığına sahip elektrotların yüzeyleri arasında görüntü yönünden hangi farklılıkların olduğu incelenmiş ve karşılaştırma yapılmıştır. Farklı platin yüklemesine sahip elektrotların morfolojik yapıları aydınlatılmış ve hem yazıcı ile üretilen numunelerin kendi arasında hem de elle sprey yöntemi ile yapılan numune arasında mukayese yapılabilmesi sağlanmıştır. Numunelerden alınan Enerji Dağılım Spektroskopisi (EDX) spektrumları verilmiştir.  

Sonuç: 	Elle sprey yöntemi ile 0,4 mg Pt/cm2 yüklemesiyle hazırlanan elektrot ticari yazıcı ile 0,4 mg Pt/cm2 yüklemesi ile hazırlanan elektrot ile kıyaslaması yapılmıştır. Her iki numunede de XRD analizleri ile belirli noktalarda tespit edilen kırınım pikleri (43°, 55°, 78° ve 83°) yüzey kübik merkezli platine atfedilen ana karakteristik düzlemlere karşılık gelmiştir. Ancak elle sprey ile hazırlanan numuneye ait XRD sonuçlarının platin piklerinin daha belirgin olduğu  açıkça görülmüştür. Numunelerde alınan tartım sonuçları neticesinde hesaplanan platin yüklemesinin uygun bir şekilde gerçekleştirildiği değerlendirilmiştir.
	SEM yüzey görüntüleri dikkate alındığında platin içeriği 0,1 mg Pt/cm2 olan numunede yüzeyde Pt yoğunluğunun oldukça az olduğu görülmüştür. 0,2 mg Pt/cm2 olan numunede yüzeyde Pt yoğunluğunun biraz daha arttığı gözlemlenirken 0,4 mg Pt/cm2 numunede ise Pt yoğunluğunun yüzeyde en fazla olduğu gözlenmiştir. Elle sprey yöntemiyle hazırlanan numunelerde ise yüzeyde Pt yoğunluğunun yazıcı ile hazırlanan diğer tüm elektrotlardan daha fazla olduğu görülmüştür. Kesit görüntülerine bakıldığında ise ticari yazıcı ile hazırlanan 0,4 Pt mg/cm2 olarak hazırlanan elektrodun elle sprey yöntemi ile hazırlanan elektrottan daha ince olarak hazırlandığı görülmüştür. Elle spreyleme ile hazırlanan elektrot kalınlığı 182,3 µm iken yazıcı ile 0,4 Pt mg/cm2 yükleme ile hazırlanan elektrodun kalınlığının 127 µm ile 178 µm arasında değiştiği gözlemlenmiştir.
	EDX sonuçlarına göre platinin atomik yüzdesinin, ticari yazıcı ile hazırlanan numunelerde değişen Pt miktarına göre değiştiği fakat elle spreyleme yöntemiyle hazırlanan elektrotta platinin atomik yüzdesinin daha yüksek olduğu görülmüştür.  
	Bu tez çalışması ile birlikte, PEM yakıt pilleri için elektrot üretiminde "Mürekkep Püskürtmeli Yazıcı Tekniği" ile elektrot üretiminin çözücü israfı ve ince film kalınlığı açısından yerinde bir karar olduğu görülmüştür. Bununla birlikte elektrotların yüzey morfolojilerinin iyileştirilmesi, katalizör mürekkebinin homojen dağılımı ve istenilen kalınlıkta daha ince film üretimi için daha fazla çalışmaya ihtiyaç olduğu anlaşılmıştır. Bu iyileştirmelerden sonra pil performansının ölçülmesi ve hidrofobik özelliklerinin tespit edilmesi için temas açısı ölçümleri yapılarak optimum düzeyde, verimliliği yüksek ve hidrofobik dayanıma sahip elektrot üretimi yapılabilir.

Abstract:
Purpose: The aim of this research is to optimize the parameters for the preparation of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) electrodes, to prepare Membrane MEA by hand spraying with a spray gun and then to optimize and compare the production processes of Membrane Electrode Composition (MEA) to be prepared with electrodes having different Pt loadings by inkjet printing method. In this context, experiments were conducted to improve the working conditions of a PEMFC by using a PEMFC inkjet printer suitable for the purpose and the obtained results were examined. Physical characterization analyzes of the prepared electrodes were performed.
As a result of the study, changes in the physical properties of electrodes having different Platinum (Pt) loadings were determined.
Method: The prepared catalyst ink was coated on the commercial gas diffusion layer with different Pt loadings using an inkjet printer to obtain electrodes. The crystal structures of the electrodes obtained with the inkjet printer were characterized by X-Ray Diffraction Spectroscopy (XRD), and their surface morphologies and film thicknesses were characterized by Scanning Electron Microscope (SEM) images.
Findings: The crystal structures of the prepared catalysts were investigated by XRD. The measurements for XRD analysis were made in the range of 10° ≤ 2θ ≤90°. It was found that the XRD graphs of the catalysts corresponded to the main characteristic planes of face-centered cubic Pt. Surface images and cross-section images of electrodes prepared with different contents were obtained by imaging with the SEM device located at the Eastern Anatolian High Technology Application and Research Center (DAYTAM). Surface images provide an idea of how homogeneously the materials used are distributed on the surface. At the same time, the differences in terms of image between the surfaces of electrodes with different coating thicknesses were examined and comparisons were made. The morphological structures of electrodes with different platinum loadings were elucidated and comparisons were made between both the samples produced with the printer and the samples made by hand. Energy Dispersive Spectroscopy (EDX) spectra taken from the samples were given. 

Results: The electrode prepared with 0.4 mg Pt/cm2 loading by hand spray method was compared with the electrode prepared with 0.4 mg Pt/cm2 loading prepared by commercial printer. In both samples, the diffraction peaks detected at certain points by XRD analysis (43°, 55°, 78° and 83°) corresponded to the main characteristic planes attributed to the face cubic centered platinum. However, it was clearly seen that the platinum peaks were more pronounced in the XRD results of the sample prepared by hand spray. It was evaluated that the platinum loading calculated as a result of the weighing results obtained in the samples was carried out appropriately. 
When SEM surface images are taken into consideration, it is observed that the Pt density on the surface is quite low in the sample with platinum content of 0.1 mg Pt/cm2. While it is observed that the Pt density on the surface increases slightly in the sample with 0.2 mg Pt/cm2, it is observed that the Pt density on the surface is the highest in the sample with 0.4 mg Pt/cm2. In the samples prepared with the hand spray method, it is observed that the Pt density on the surface is higher than all other electrodes prepared with the printer. When the cross-sectional images are examined, it is seen that the electrode prepared with a commercial printer as 0.4 Pt mg/cm2 is thinner than the electrode prepared with the hand spray method. While the electrode thickness prepared with hand spraying is 182,3 µm, it is observed that the thickness of the electrode prepared with a 0,4 Pt mg/cm2 loading with the printer varies between 127 µm and 178 µm. 
According to EDX results, it was observed that the atomic percentage of platinum changed according to the changing Pt amount in the samples prepared with the commercial printer, but the atomic percentage of platinum was higher in the electrode prepared with the manual spraying method.
	With this thesis study, it has been seen that the electrode production with "Inkjet Printer Technique" in the production of electrodes for PEM fuel cells is a suitable decision in terms of solvent waste and thin film thickness. However, it has been understood that further work is needed for the improvement of the surface morphology of the electrodes, homogeneous distribution of the catalyst ink and production of thinner films with the desired thickness. After these improvements, optimum level, high efficiency and hydrophobic resistance electrode production can be made by measuring the battery performance and determining its hydrophobic properties.