Pem tipi yakıt hücrelerinde katalizör film kalınlığının elektrokimyasal performansa etkisi
The effect of catalyst film thickness on electrochemical performance in pem fuel cells
- Tez No: 875138
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ ŞEMS AHSEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Gebze Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 72
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.
Özet (Çeviri)
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.
Benzer Tezler
- Development of non-noble (Co-n/mwcnt) and polybenzimidazole-modified (Pt-pbi/mwcnt) electrocatalysts for high-temperature pem fuel cell applications
Yüksek sıcaklık pem yakıt hücreleri için düşük maliyetli ve yüksek performanslı (Co-n/mwcnt) ve polibenzimidazol (pbı) ile modifiye edilmiş (Pt-pbı/mwcnt) elektrokatalizörlerin geliştirilmesi
ENİS OĞUZHAN EREN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
EnerjiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NECATİ ÖZKAN
- Optimization of cerium-iridium mixed oxides are used as catalyst support in PEM type fuel cells
PEM tipi yakıt hücrelerinde katalizör destek malzemesi olarak kullanılan seryum-iridyum karışık metal oksitlerinin optimizasyonu
SALİH VEZİROĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
EnerjiMelikşah ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. FURKAN DÜNDAR
- PEM(proton geçirgen membran) tipi yakıt hücrelerinde kullanılan katalizör tabakasının simülasyon çalışmaları
Simulation studies of the catalyst layer used in PEM (proton exchange membrane) type fuel cells
MEHMET MUSTAFA ÖZDAŞÇI
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Fizik ve Fizik MühendisliğiAdıyaman ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SALİM ÇERÇİ
- PEM tipi yakıt hücreleri için Ti destekli Pt-Co katalizörlerinde Co oranının etkisi
Effect of Co ratio on Ti-supported Pt-Co catalysts for PEM type fuel cells
SEZGİN FIRAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ ŞEMS AHSEN
DOÇ. DR. MEHMET SUHA YAZICI
- PEM tipi yakıt hücrelerinde ısı ve su yönetiminin modellenmesi
Modelling heat and water management in PEM fuel cell
ELİF EKER
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Makine MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İMDAT TAYMAZ