Pem tipi yakıt hücrelerinde katalizör film kalınlığının elektrokimyasal performansa etkisi
The effect of catalyst film thickness on electrochemical performance in pem fuel cells
Yazar: YUNUS FURKAN ÖZTÜRK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ ŞEMS AHSEN
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Katalizörler = Catalysts ; Kobalt = Cobalt ; Platin = Platinum ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Günümüz dünyasında temiz enerji üretimi oldukça önem kazanmıştır. Dünyamızda ihtiyaç duyulan enerjinin büyük çoğunluğu fosil yakıtlardan üretilmektedir. Fosil yakıtlar içerdiği hidrokarbonlar ve yüksek oran da karbon miktarıyla dünyamızı kirletmektedir. Buradaki kirletici emisyonları ve fosil yakıtlara bağımlılığı azaltma amacıyla temiz enerji kaynağı olarak alternatif yöntemler geliştirilmektedir. En dikkat çekici yöntemlerden biri de yakıtın kimyasal enerjisini doğrudan elektrik enerjisine yüksek verimle dönüştüren elektrokimyasal cihazlar olan yakıt hücreleridir. Pek çok yakıt hücresi tipinin yanında oda sıcaklığında çalışabilen PEM tipi yakıt hücrelerinde anot ve katot reaksiyonları sonucunda elektrik enerjisi aşağıda görüldüğü gibi elde edilmektedir.
Anot reaksiyonu: H2 → 2H+ + 2e−
Katot reaksiyonu: 2H+ + 1/2O2 + 2e− → H2O
Toplam reaksiyon: H2 + 1/2O2 → H2O + ısı + elektrik enerjisi
Bu cihazlarda çeşitli alanlarda uzmanlık derecesinde bilgi birikimi gerektirecek yapılar bulunmaktadır. Bu yapıların ilki MEA (Membran Electrode Assemblies) olarak isimlendirilen üstünde katalizör katman bulunan anot ve katot elektrotlar ile arasında elektrolit bulunan yapıdır. İkincisi gaz ve su yönetimine yardımcı olan ve yüksek elektriksel iletkenlik ile hücre performansına katkı sağlaması istenilen bipolar tabakalardır. PEM tipi yakıt hücrelerinin ticarileşmesindeki en önemli engellerin başında MEA yapısında katalizör olarak kullanılan Pt metalinin pahalı olması gelmektedir. Bu yüzden çalışmaların büyük çoğunluğu katalizörün verimini arttırmak ve Pt miktarının azaltmak üzerine yoğunlaşmıştır. Bu çalışmada geliştirilen bimetalik katalizörlerin film kalınlıklarının arttırılmasıyla kullanılan Pt miktarına karşılık yüksek elektrokimyasal aktif yüzey alanı elde etmek amaçlanmıştır. Bu çalışma kapsamında ultra yüksek vakum (UHV) şartlarında hazırlanan Ti destekli Pt:Co 1:3 oranında toplam metal ağırlığı 22, 44, 88, 120 μg olan katalizör filmler hazırlanmıştır. Pt:Co bimetalik katalizörlerin CV (Cyclic voltammetry) deneyleri gerçekleştirilerek asidik ortamdaki katalizörün yüzeyine hidrojen atomlarının adsorbe olması sayesinde elektrokimyasal aktif yüzey alanı belirlenmiş olmaktadır. Ayrıca ultra ince film katalizörleri ORR, SEM, XRD, EDX analiz teknikleri kullanılarak fiziksel ve kimyasal özellikleri incelenmiştir. Buradan elde edilen sonuçlarda toplam metal yüklemesine bağlı olarak artan film kalınlığıyla elektrokimyasal aktif yüzey alanının doğrusal şekilde arttığı gözlemlenmektedir. Bu sonuçla birlikte hücre performansının film kalınlığı arttıkça daha iyi seviyelere gelebileceği öngörülebilmektedir.

Abstract:
In today's world, clean energy production has gained significant importance. The majority of the energy required worldwide is produced from fossil fuels. Fossil fuels, with their hydrocarbon content and high carbon levels, pollute our world. To reduce these pollutant emissions and dependency on fossil fuels, alternative methods as clean energy sources are being developed. One of the most notable methods is fuel cells, which are electrochemical devices that convert the chemical energy of fuel directly into electrical energy with high efficiency. Among the many types of fuel cells, PEM (Proton Exchange Membrane) fuel cells operate at room temperature, and electrical energy is obtained as a result of the anode and cathode reactions, as shown below.
Anode reaction: H2 → 2H+ + 2e−
Cathode reaction: 2H+ + 1/2O2 + 2e− → H2O
Overall reaction: H2 + 1/2O2 → H2O + heat + electrical energy
These devices contain structures that require expertise in various fields. The one of these structures is the MEA (Membrane Electrode Assemblies), which consists of an anode and cathode electrode with a catalyst layer on top and an electrolyte in between. The second structure is the bipolar plates, which assist in gas and water management and contribute to cell performance with their high electrical conductivity. One of the primary obstacles to the commercialization of PEM-type fuel cells is the high cost of the Pt metal used as a catalyst in the MEA structure. Consequently, most studies have focused on increasing the efficiency of the catalyst and reducing the amount of Pt required. In this study, the goal was to achieve a high electrochemical active surface area relative to the amount of Pt used by increasing the film thickness of the developed
bimetallic catalysts. Ti-supported Pt catalyst films in a 1:3 ratio with total metal weights of 22, 44, 88, and 120 μg were prepared under ultra-high vacuum (UHV) conditions. The electrochemical active surface area of the Pt bimetallic catalysts was determined by conducting CV (Cyclic Voltammetry) experiments, which allow hydrogen atoms to adsorb onto the surface of the catalyst in an acidic environment. Additionally, the physical and chemical properties of the ultra-thin film catalysts were examined using ORR (Oxygen Reduction Reaction), SEM (Scanning Electron Microscopy), XRD (X-ray Diffraction), and EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) analysis techniques. The results indicate that as the film thickness increases in proportion to the total metal loading, the electrochemical active surface area increases linearly. This suggests that cell performance may improve as film thickness increases.