Proton geçirimli membran tipi yakıt hücrelerinde gaz difüzyon tabakasının modifikasyonu ve modellenmesi
Modification and modelling of gas diffusion layer on proton exchange membrane fuel cells
Yazar: ŞEYMA KİL
Danışman: PROF. DR. HASAN SADIKOĞLU ; DR. ÖĞR. ÜYESİ OĞUZ KAAN ÖZDEMİR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Enerji talebinin günden güne artması, fosil enerji kaynaklarının hızla tükenmesi ve kullanımları esnasında sebep oldukları çevresel kirlilikler, alternatif enerji kaynakları arayışını gündeme getirmiştir. Bu durumda yakıtın kimyasal enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yakıt pilleri ön plana çıkmaktadır. Yakıt hücresi çeşitleri içerisinde proton değişim membranı (PEM) tipi yakıt hücreleri; yüksek enerji verimlilikleri, düşük çalışma sıcaklıkları ve saf su dışında herhangi bir atık oluşturmamaları nedeniyle en çok ilgi çeken türdür. PEM tipi yakıt hücrelerinin ticarileşmesi önündeki en büyük engel, katalizör olarak kullanılan platin soy metalinin maliyetinin yüksek olmasıdır. Katalizör maliyetinin yüksek olmasının yanı sıra, yakıt hücresinin ömrünü kısaltan düşük su yönetimi de önemli bir problemdir. Su yönetiminde önemli etkiye sahip olan gaz difüzyon tabakası (GDL), yakıt pili sistemlerinin önemli bileşenlerinden biridir. İlave olarak GDL, üzerindeki mikro gözenekli tabaka nedeniyle elektrik biriktirme esnasında platin elektro katalizörünün çekirdeklenmesinde kilit role sahiptir. Ayrıca, hidrofobik tabakanın gözenekli yapıda olması, oksijen indirgenme reaksiyonunun (ORR) sonucunda oluşan suyun, elektrokimyasal aktif kısımdan pasif kısma taşınması bakımından önemlidir. Aksi takdirde, sistemde meydana gelen taşma olayı aktif yüzey alanı kaybına yol açar. Bu tez çalışmasında, farklı karbon-nafyon oranına sahip çeşitli hidrofobik karbon tabakaları ticari GDL üzerine farklı kalınlıklarda olacak şekilde kaplanmıştır. Hazırlanan hidrofobik tabakalar üzerine elektrik ile biriktirme yöntemi kullanılan platin nano partiküllerinin tüm elektrokimyasal aktiviteleri, döngüsel voltametri (CV) ve doğrusal tarama voltametrisi (LSV) gibi iyi bilinen elektrokimyasal tekniklerle karakterizasyonu yapılmıştır. Yakıt hücresi sistemindeki tepkiler hakkında fikir sahibi olmak amacıyla, yarı hücrelerde elektro katalizörün aktivitesini tayin eden matematiksel bir model geliştirilmiştir. Elde edilen deneysel veriler matematiksel modelin geliştirilmesi ve doğrulanmasında kullanılmıştır. Tez çalışması sonucunda, optimum hidrofobik karbon tabakaları ortaya çıkacak ve böylece elektro katalizörün verimliliğinde artış sağlanmıştır. İlave olarak, geliştirilen model yardımıyla, katalizörlerin ORR aktiviteleri hakkında herhangi bir elektrokimyasal test yapılmadan bilgi sahibi olunmuştur.

Abstract:
The increasing demand for energy, the depletion of fossil energy sources and the environmental pollution caused by their use have brought about the search for alternative energy sources. In this case, fuel cells that convert the chemical energy of the fuel directly into electrical energy come to the fore. Among the fuel cell types, proton exchange membrane (PEM) type fuel cells are the most popular fuel cell types due to their high energy efficiency, low working temperatures and no waste other than pure water. The biggest obstacle to the commercialization of PEM type fuel cells is the high cost of platinum noble metal used as catalyst. In addition to the high cost of the catalyst, low water management which shortens the life of the fuel cell is also an important problem. Gas diffusion layer (GDL), which has a significant impact on water management, is one of the important components of fuel cell systems. Additionally, the presence of a microporous layer on the GDL plays an active role in nucleating the platinum electro catalyst during electrical deposition. Furthermore, the porous structure of the hydrophobic layer is important in terms of transporting the water formed as a result of the oxygen reduction reaction (ORR) from the electrochemical active part to the passive part. Otherwise, the overflow occurring in the system leads to loss of active surface area. In this thesis, different hydrophobic carbon layers having different carbon-nafion ratio were coated on commercial GDL in different thicknesses. Electrochemical activities of platinum nanoparticles using electrodeposition method on the prepared hydrophobic layers were characterized by electrochemical activities such as cyclic voltammetry (CV) and linear sweep voltammetry (LSV). In order to gain insight into the reactions in the fuel cell system, a mathematical model has been developed which determines the activity of the electro catalyst in the half cells. The experimental data were used to develop and validate the mathematical model. As a result of the thesis, optimum hydrophobic carbon layers will be produced and thus the efficiency of the electro catalyst will be increased. In addition, with the help of the developed model, the ORR activities of the catalysts were obtained without any electrochemical testing.