PEM yakıt hücresi anodunda kullanılmak üzere platinin ikili alaşımlarının sentezi, karakterizasyonu ve CO kirliliğinin belirlenmesi
Synthesis, characterization and determination of pollution CO platinum binary alloys for use at the anode of a PEM fuel cell
Yazar: DİDEHAN KARÇİÇEĞİ
Danışman: PROF. DR. ÇİĞDEM GÜLDÜR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Bilimleri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Yakıt hücreleri kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüşümünü sağlayan cihazlardır. Birçok farklı tipe sahip olan yakıt hücrelerinin en çok tercih edileni PEM (polimer elektrolit membran) yakıt hücresidir. Düşük sıcaklıklarda çalışması (genellikle 80-90 ºC), hareketli parça içermemesi ve sıfır emisyon sağlayarak çevreye karşı duyarlı olması gibi avantajları sayesinde ulaşım araçlarında enerji kaynağı olarak kullanılmak için en uygun adaydır. PEM yakıt hücresinin ticarileşmesinin önünde duran en büyük engellerden biri yakıtlardan gelen safsızlıklarla, özellikle de CO yüzünden katalizörlerin çok çabuk zehirlenmesiyle hücre performansında yaşanan büyük düşüşlerdir. PEM yakıt hücresinin anot yapısında gerçekleşen hidrojen yükseltgenme reaksiyonu fosil yakıtlardan elde edilmiş yakıttaki CO yüzünden sınırlanmakta bu da hücre performansını en başında düşürerek potansiyel kayıplarına neden olmaktadır. Yapılan çalışmalar anotta gerçekleşen hidrojen yükseltgenme reaksiyonu için (HOR) kullanılacak elektrokatalizörün geliştirilmesi üzerine yoğunlaşmaktadır.Bu çalışmada, PEM yakıt hücresi anodundaki HOR reaksiyonunun elektrokatalizinde kullanılabilecek ucuz ve etkin katalizörlerin sentezlenmesi amaçlanmıştır. Katalizörler, Pt'nin, Ag, Cu ve Fe geçiş metalleri ile oluşturduğu ikili katalizörlerin karbon destek üzerinde yaş emdirme indirgeme yöntemi ile biriktirilmesi ile hazırlanmış ve XRD, FT-IR, döngülü voltametri, CO-sıyırma ve karışım gazı gönderme yöntemleri ile karakterize edilmiştir. Karakterizasyon çalışmaları sonucunda katalizörlerin makro gözenekli yapıda olduğu ve döngülü voltagmetri analizi sonucunda elektrokimsayal aktif yüzey alanlarının 34,21 ile 800,88 m2/g arasında değiştiği görülmüştür. Platin tane boyutu 1,69 ile 5,22 nm arasında değişmektedir ve platin oranı fazla olan katalizörlerin daha küçük tane boyutuna sahip olduğu görülmüştür. PtAg/C-11 katalizörünün 800,88cm2/mg elektrokimyasal aktif yüzey alanı ile en yüksek elektrokimyasal aktif yüzey alanına sahip katalizör olmasına rağmen CO-sıyırma analizinde CO'e karşı dayanımı oldukça düşük çıkmıştır. En yüksek aktiviteyi yine PtAg/C katalizörlerinin verdiği ve kütle aktivitesinin platin oranı ile ters orantılı olduğu bulunmuştur. Sonuç olarak bu çalışmada sentezlenen katalizörlerden PtAg-31/C ve PtAg-11/C katalizörleri PEM yakıt hücresi anodunda alternatif katalizör olarak kullanılabileceğine karar verilmiştir.

Abstract:
Fuel cells are devices that directly convert the chemical energy to electrical energy . Within many types of fuel cells, PEM (polymer electrolyte membrane) fuel cell is the most prefferred one. Indeed, PEM fuel cell is the most promising candidate as an energy source thanks to its advantages such as low operating temperature, zero emissions and no moving parts. One of the biggest problems in front of the commercialization of PEM fuel cell is that the impurities within the fuel stream most notably CO, causes the catalysts to be poisoned easily leading to huge losses in the cell performance. The hydrogen oxidation reaction occuring at the anode of the PEM fuel cells is limited by CO poisoning because of the potantional losses. Currently most studies are focused on the development of the elecrocatalysts to be used for the hydrogen oxidation reaction (HOR) occuring at the anode. In this study, it was aimed to develop cheap and active catalyst that can be used in the electrocatalyst at HOR in PEM fuell cell. Catalysts were prepared by depositing the binary catalysts of platinum formed by transition metals, Ag, Cu and Fe on carbon support by wet impregnation reduction method and characterized by XRD, FT-IR ,Cyclic Voltammetry, CO-stripping and mixture gas testing. After the characterization studies it was found that the catalysts have macroporous structures and their electrochemically active areas are varying between 34,21 and 800.88 m² / g . The mean platinum particle size is between 1.69 and 5.22 nm and it was seen that catalysts with higher platinum atomic ratio have smaller particle sizes. Although PtAg-11/C catalysts has the highest elecroactive surface area with 800.88 cm²/mg its tolerance was found to be very low in the CO-stripping experiments it was observed that the PtAg / C catalyst gave the highest mass activities as well and the mass activity in inversely proportional with the platinum content. As a result, it was concluded that among the catalysts synthesized PtAg-31/C and PtAg-11/C can be used as alternative catalyst in the anode of the PEM fuel cell.