Development of platinum containing electrocatalysts supported on hybird material of PEM fuel cell

Abstract

Dünyada artan enerji talebi, alternatif enerji teknolojilerine olan ihtiyacı artırmıştır. Önemli bir alternatif enerji kaynağı olan hidrojeni kullanan yakıt pilleri son yıllarda büyük ilgi görmektedir. Yakıt pili türleri arasında proton değişim membranlı yakıt pilleri (PEMFC), modüler yapıları, yüksek verimleri ve düşük çalışma sıcaklıkları nedeniyle en ilgi çekici yakıt pili türüdür. Özellikle komponent geliştirme çalışmaları PEMFC'lerin performansını artırmaya yönelik olarak dikkat çekmektedir.Bu tez çalışmasında, çok duvarlı karbon nanotüp-grafen MWCNT destekli Pt katalizörleri, PEMFC performansını araştırma yöntemini incelemek için mikrodalga destekli yaklaşım kullanılarak sentezlenmiştir. Başlangıç maddesi olarak [(NH4)2[Pt2(HPO4)4(H2O)2] (Ptcomplex-1) ve [(NH4)2[Pt2(SO4)4(H2O)2] (Ptcomplex-2) kullanılarak PEMFC uygulaması için MWCNT destekli platin katalizörler hazırlanmıştır. Katalizörlerin mikro yapısını ve morfolojisini incelemek için TGA, XRD, HR-TEM ve XPS analizleri uygulanmıştır. Hazırlanan katalizörlerden Ptcomplex-1/MWCNT-3 ve Ptcomplex-2/MWCNT-3 60-80 °C aralığında H2/hava ile PEMFC içinde test edilmiştir. Ptcomplex-1/MWCNT-3 katalizörü kullanılarak hazırlanan bir membran elektrot atacı (MEA) için 60, 65, 70 ve 80 ⁰C'de elde edile maksimum güç yoğunluğu değerleri sırasıyla 0.36, 0.39, 0.41 ve 0.26 W/cm2 ve Ptcomplex-2/MWCNT-3 katalizörü için ise 0.38, 0.423, 0.44 ve 0.28 W/cm2 olarak belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre Ptcomplex/MWCNT katalizörlerinin Pt/C katalizörüne göre daha iyi PEMFC performansı gösterdiği belirlenmiştir. Hazırlanan katalizörlerle gelecekte yapılacak MEA optimizasyon çalışmaları ile katalizörlerin performansları daha da iyileştirilebilir.

Increasing energy demand in the world has increased the need for alternative energy technologies. Fuel cells using hydrogen, an important alternative energy source, have attracted great interest in recent years. Among the fuel cell types, proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) are the most interesting fuel cell type due to their modular structure, high efficiency and low operating temperatures. Particularly, component development studies attract attention to increase the performance of PEMFCs.In this thesis multiwalled carbon nanotube-graphene MWCNT-supported Pt catalysts are synthesized using the microwave-assisted approach to examine the method to investigate the PEMFC performance. MWCNT-supported platinum catalysts were prepared for PEMFC application by using [(NH4)2[Pt2(HPO4)4(H2O)2] (Ptcomplex-1) & [(NH4)2[Pt2(SO4)4(H2O)2] (Ptcomplex-2) complexes as starting materials. TGA, XRD, HR-TEM and XPS analyzes were applied to examine the microstructure and morphology of the catalysts. Among the prepared catalysts Ptcomplex-1/MWCNT-3 and Ptcomplex-2/MWCNT-3 catalysts were tested in PEMFC with H2/air at the range of 60-80 °C. The maximum power density values were determined for a membrane electrode assembly (MEA) prepared using Ptcomplex-1/MWCNT-3 catalyst as 0.36, 0.39, 0.41, and 0.26 W/cm2 and 0.38, 0.423, 0.44 and 0.28 W/cm2 for Ptcomplex-2/MWCNT-3 catalyst at 60, 65, 70 and 80 ⁰C, respectively. It was determined that the prepared Ptcomplex/MWCNT catalysts showed a better PEMFC performance than that of the Pt/C catalyst. The performance of the catalysts can be further improved with MEA optimization studies to be carried out with the catalysts prepared in the future.