Farklı destek malzemeleri ile hazırlanmış kobalt fitalosiyanin katalizörünün üretimi karakterizasyonu ve pem yakıt pili performansının incelenmesi
Production characterization and the proton exchange membrane fuel cell performance analyses of cobalt phthalocyanine catalyst prepared with different support materials
Yazar: SÜMEYYE DURSUN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMİZ GÜLTEKİN AKAY ; DOÇ. DR. MEHMET SÜHA YAZICI
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Proton değişim membranlı yakıt pillerinde (PEMYP) en yaygın kullanılan katalizör karbon destekli platin katalizörlerdir. Platin bazlı katalizörlerin yüksek maliyeti PEM yakıt pillerinin ticarileşmesinde engel oluşturmaktadır. Bu nedenle, yüksek aktiviteli ve maliyeti düşük katalizörlerin geliştirilmesi önemli araştırma konusudur.
Bu çalışmada, PEM yakıt pilleri için karbon yapılı farklı destek malzemeleri ile hazırlanan kobalt ftalosiyaninin (CoPc) oksijen indirgeme katalizörü olarak kullanımı amaçlanmıştır. Bu kapsamda, Vulcan-XC72, karbon nanotüp (CNT), CVD grafen ve bu malzemelerin ikili karışımları destek malzemesi olarak kullanılarak performans karşılaştırması yapılmıştır. Grafen kimyasal buhar biriktirme yöntemiyle üretilmiştir. Karbon destekli CoPc katalizörleri emdirme yöntemiyle hazırlanmıştır. ICP-OES, TGA, XRD, SEM, TEM ve CV teknikleri kullanılarak fiziksel ve elektrokimyasal karakterizasyonlar yapılmıştır. Katalizörlerin katot performansları yakıt pili testleri ile ölçülmüştür. Isıl işlem sıcaklığının etkisini incelemek için 3 farklı sıcaklık (800 °C, 650 °C ve 500° C) çalışılmış ve en iyi performans 800 °C ısıl işlem ile elde edilmiştir. CoPc/grafen, CoPc/Vulcan-grafen, CoPc/CNT-grafen, CoPc/CNT, CoPc/Vulcan, CoPc/Vulcan-CNT sıralamasında yakıt pili performansında artış gözlemlenmiştir. 60 °C hücre sıcaklığında, %100 nemde 5 psi geri basınçta elde edilen en iyi güç yoğunlukları sırasıyla 32, 171, 179, 189, 296, 303 mW/cm2 dir. CVD grafen kütle transferini engelleyerek performansı düşürdüğü gözlemlenmiştir. Vulcan'ın CNT ile hibritleşmesi performansı iyileştirmiştir. 0, 5, 15, 25 psi değerlerinde geri basınç etkisi incelenmiş ve geri basıncın artırılmasının hücre performansını artırdığı gözlemlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Grafen, Karbon Nanotüp, Kobalt Ftalosiyanin, PEMYP, Vulcan

Abstract:
The most widely used catalyst in proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is carbon supported platinum catalysts. The high cost of platinum-based catalysts prevents the commercialization of PEM fuel cells. That is why development of high activity and low cost catalysts is an important research topic.
The aim of this study is to use cobalt phthalocyanine (CoPc) as oxygen reduction reaction catalyst prepared with different carbon-structured support materials for PEM fuel cells. In this scope, performance comparisons were made in which Vulcan-XC72, carbon nanotube and CVD graphene and their binary mixtures were used as support material. Graphene was produced by chemical vapor deposition method. Carbon supported CoPc catalysts were prepared by impregnation method. Physical and electrochemical characterizations of prepared catalyst were investigated by ICP-OES, TGA, XRD, SEM, TEM and CV techniques. The cathode performances of the catalysts were measured by fuel cell tests. Three different temperatures (800 °C, 650 °C and 500 °C) were studied to examine the effect of heat treatment temperature and the best performance was obtained by 800 °C heat treatment. Increase in fuel cell performance was observed in the following order CoPc/graphene, CoPc/Vulcan-graphene, CoPc/CNT-graphene, CoPc/CNT, CoPc/Vulcan, CoPc/Vulcan-CNT. The best power densities at 60 °C cell temperature, 100% humidity, 5 psi back pressure were found as 32, 171, 179, 189, 296, 303 mW/cm2, respectively. It was observed that CVD graphene has reduced the performance because of mass transport limitations. Hybridization Vulcan with CNT improved performance. The back pressure effect at 0, 5, 15, 25 psi was investigated and fuel cell performance was improved as increase in backpressure.

Keywords: Graphene, Carbon Nanotube, Cobalt Phthalocyanine, PEMFC, Vulcan