Dersin Sorumlusu: Doç Dr. Göksel ÖZKAN
İçindekiler PEM Yakıt Hücresi PEM Yakıt Hücresinin Çalışma Prensibi PEM Yakıt Pilinin Bileşenleri Yakıt Hücre Yığını Çalışma Koşullarının Yakıt Hücresinin Performansına Etkisi
Polimer elektrolit membranlı yakıt hücreleri veya diğer adıyla proton değişim membranlı yakıt hücreleri elektrolit olarak protonları iletebilme özelliğine sahip polimer bir membran kullanılır. Birçok avantajından dolayı PEM yakıt hücresinin yakıt hücre türleri içinde en çok ilgiyi çeken türdür.
PEM Yakıt Hücresi Anot H 2 2H + + 2e -, U 0 =0 V Çalışma Sıcaklığı Çalışma aralığı Uygulama Alanları 20-90ºC 1W 200kW Taşımacılık, Uzay, Askeri Katot ½ O 2 + 2H + + 2e - H 2 O, U 0 = 1,229 V Elektrolitteki Yük Taşıyıcı H + Verim % 35 50 Çalışma basıncı 1-8 atm
Çalışma Sıcaklığı Güç aralığı Uygulama Alanları Elektrolitteki Yük Taşıyıcı Verim Çalışma basıncı 80-90ºC 1W 200kW Taşımacılık, Uzay, Askeri H + % 45 50 1-8 atm
Avantajları Düşük sıcaklık Yüksek enerji yoğunluğu, Hücreyi üretmek kolay Hafif Hızlı ilk çalışma Katı Elektrolit Durdurma ve çalıştırma kolay Korozyona dayanıklı Yüksek basınca dayanıklı Uzun ömürlü 40000-45000sa Emisyon yok Dezavantajları Çok saf H 2 Pahalı katalizör CO toleransı yok (Pt deaktive) Membranda su yönetimi işletimin verimini etkiliyor Su difüzyon mekanizması için difüzyon plakaları, kolektörler gerekiyor. CO 2 difüzyon sorunundan dolayı verimliliği düşürür
PEM yakıt hücresinin temel çalışma prensibi
PEM Yakıt Hücresinin Bileşenleri Şekil 3. PEM yakıt hücresinin bileşenleri
Yakıt Hücrelerinde Kullanılan Malzemeler
ELEKTROLİT :Polimer Elektrolit Membran Ana Gereksinimler Yüksek iyonik iletkenlik Elektronik izolasyonu sağlamalı Yüksek stabilite ve dayanıklı Yapısal direncin yüksek Kolay üretilebilir
ELEKTROLİT : Polimer Elektrolit Membran Polimer elektrolitin amacı, anot tarafından katota proton taşıma Polimerik membranların farklı ticari isimleri vardır.(örneğin Nafion) Nafion gibi polimerik membranların protonları verimli bir şekilde iletebilmesi için iyice suyla doyurulması gerekir. Temel malzemesi poliperflorosülfonik asittir. Şekil 5. Polimer elektrolit membran zar
Politetrafloroetilen zinciri su sevmeyen (hidrofobik) iken sülfonat iyonları su seven karakterdedir ve suyu çeker. PEM yakıt hücresi membranının kimyasal yapısı, PEM yakıt hücresi membranının yakın görüntüsü
ELEKTROT Karbondan yapılmış gaz difüzyon tabakası ve platin katalizörün birleşimine denir. Reaksiyona giren gazların reaksiyona girmesini ve zara iletilmesini sağlar. Elektrik iletkenliği vardır. Elektrotların kalınlığı 5-15 mikron arasındadır. Katalizör ise, 0.1-0.5 mg/cm 2 arasındadır.
Elektrolit olarak kullanılan Nafion ve benzeri malzemeler, yüksek sıcaklıklarda proton iletebilme özelliklerini kaybederler. Bu nedenden dolayı PEM yakıt hücresinin çalışma sıcaklığı 100 C altındadır. Diğer yandan elektrotlarda yürüyen reaksiyonların kinetik hızı düşük sıcaklıklarda oldukça yavaştır. Bu şartlarda reaksiyonu hızlandırmak ve aktivasyon kayıplarının önüne geçebilmek için platin gibi pahalı katalizörlerin kullanılması gerekir.
Katalizör Su reaksiyonunun aktivasyon enerjisini düşürmek için katalizör kullanılır. Platin gibi bir metalin yüzeyi, atomları adsorplama aktivitesi sayesinde düşük sıcaklıklarda bile hidrojen ve oksijenin atomlarına ayrışmasını sağlayabilir. Ayrışan atomlar daha sonra yakıt hücresi düzeni içinde elektrokimyasal olarak tepkimeye girerler. Düşük sıcaklıklarda çalışan yakıt hücrelerinde enerji maliyetinin az olmasına karşın, kullanılan platin son derece pahalı bir metaldir ve PEM yakıt hücrelerinin maliyeti üzerine etkisi büyüktür
Destekli Katalizörler Bu yöntemlerde amaç, platin veya diğer metallerin destek malzemesi üzerine yüksek dağılımda biriktirilmesini sağlamaktır. Destek malzemesi olarak kullanılacak malzemenin taşıması gereken özelliklerin başında, yüksek iletkenlik, yüksek yüzey alanı, kimyasal kararlılık ve mekanik dayanıklılık gelmektedir. Bu gereksinimleri en iyi karşılayan malzemeler genelde karbon bazlı malzemelerdir.
Çoğu zaman bir sanat olarak ifade edilen katalizör hazırlamada belirli basamaklar takip edilmektedir: i. Emdirme, çöktürme, iyon değişimi vs. gibi yöntemlerle metal tuzlarının destek üzerinde dağılımının sağlanması. ii. Kurutma ve kalsinasyon iii. İndirgeme
Destekli Katalizör Hazırlama Teknikleri Emdirme metodu Çöktürme metodu İyon değişimi yöntemi Kolloidal metot
Emdirme Yöntemi Metallerin katalizör ile yüklenmemiş olan destek malzemesinin üzerine iyi şekilde dağıtılması için destek malzemesi toz halinde sulu ortamda dağıtılarak süspansiyon haline getirilebilir ve metal tuzları çözeltisi ile karıştırılarak literatürde katalizör mürekkebi adı verilen homojen bir karışım haline getirilir. Hazırlama tekniklerinin hemen hepsinde, metal tuzları kuvvetli indirgeyiciler kullanılarak (NaBH 4, N 2 H 2, HCOOH vb.) metal formuna indirgenir. Sulu katalizör karışımları daha sonra indirgenmenini tamamlanması, yüzey oksitlerinin temizlenmesi ve alaşımlanma için kontrollü gaz atmosferinde ısıl işleme tabi tutulur.
Birlikte Çöktürme Yöntemi Tek bileşenli, destekli ya da çok bileşenli katalizörler hazırlanabilmesine olanak sağlayan bu yöntem metal veya bileşiklerin çözeltilerinin karıştırma yardımıyla hidroksit ve/veya karbonatları şeklinde çöktürülmesi esasına dayanmaktadır
Yüksek metal içeriğine sahip katalizörlerde kararlılık, ürünün homojenliği ve nanobüyüklükte metal kristallerin elde edilmesi yönünden birlikte çöktürme daha iyi bir yöntemdir
Bir kristal katının çökmesi üç adımda gerçekleşmektedir. i. Aşırı doyma ii. Çekirdek oluşumu iii. Büyüme Çöktürme işleminden sonra sırasıyla süzme, yıkama, kurutma, şekil verme ve ısıtma işlemleri uygulanmaktadır
Gaz Difüzyon Tabakaları Bu tabaka katalizör tabakası ile bipolar plaka arasında yer alır. Karbon liflerden oluşmuş. Reaktan ve ürün geçirgenliği Elektronik ve ısı iletkenliği YP ne mekanik dayanım sağlar Akım toplayıcısı olma görevi vardır. Şekil 4. Karbon kumaş karbon kağıt
Bipolar Plaka PEM yakıt hücrelerinin temel bileşenlerinden biri olan bipolar plakalar, yakıt hücresi yığınının ağırlıkça %80 ve maliyet olarak %45 ini oluşturmaktadır. Reaktanların aktif yüzey alanlarına dağıtılması, yığın içinde birim hücreleri birbirinden ayrılması, ısının ve oluşan suyun aktif alanlardan uzaklaştırılması, akımın hücreden hücreye taşınması ve reaktanlar ile soğutucuların sızıntısının önlenmesi, reaktan gazların nemlendirilmesi, korozyona karşı direnç gibi birçok önemli göreve sahiptirler.. Bipolar plaka malzemesi olarak, elektro grafit, karbon karbon kompozit, metal levha, grafit polimer kompozitler kullanılmaktadır.
Şekil 5. Bipolar Plakalar
Anot Zehirlenmesi CO Şekil 6. CO gazının hücre volatajına etkisi
Membran Elektrot Bileşimi Membran Elektrot Bileşimi hazırlamada 2 önemli metot esas alınır: 1-Gaz Difüzyon Tabakası metodu 2-Membran esaslı metod
1- Gaz Difüzyon Tabakası esaslı metot Katalizörden olusan mürekkep doğrudan GDT üzerine püskürtülür yada sürülür. Ardından membran üzerine sıcak pres yöntemine göre yüklenir. Bu yöntemde katalizör yüklemesi kolaydır. Aynı zamanda GDT üzerine, katalizörden olusan çözeltinin tatbik edilmesi için 3 farklı yöntem kullanılabilir. Bunlar kazıma, fırça ile sürme ve püskürtme teknikleridir.
2- Membran esaslı metot Katalizörden oluşan boya doğrudan membran üzerine püskürtülür yada bir fırça yardımı ile sürülür. İkinci bir yol, katalizör bir teflon plak üzerine sürülerek, teflon membran üzerine yapıştırılır. Teflon sıyırıp alınarak, katalizörün membran tabaka üzerinde kalması sağlanır. En son olarak GDT sıcak pres yöntemi ile katalizör ve membrandan oluşan ikili üzerine yapıstırılır
PEM yakıt pili polarizasyon eğrisi
Yakıt pilleri polarizasyon eğrileri incelendiğinde PEM yakıt pilinin akım değerinin diğerlerine göre daha yüksek olduğu görülmektedir. Şekil 9. Yakıt pilleri polarizasyon eğrileri
Yakıt Hücre Yığını Bir tek hücre (0.5-1 V) gibi düşük voltajdan dolayı elverişli değildir. Bu yüzden seri halde bağlanmış hücreler yığınına gereksinim vardır. Bu yığındaki hücrelerin sayısı istenilen voltaja göre belirlenmektedir. Voltaj ve akımın oluşturduğu güç, hücrenin büyüklüğüne bağlıdır. Şekil 1. Ballard PEMFC yakıt pili yığını
Şekil 7. Tipik yakıt pili yığını Şekil 8.10-12V 1,5 kw güç üreten yakıt pili yığını
YAKIT PİLİ YIĞINININ ÇALIŞMA PRENSİBİ
Çalışma Koşullarının Performansa Etkisi Yakıt hücrelerinde çalışma gazların basıncı, sıcaklığı, nemliliği ve stokiyometrik oranları yakıt hücresinin performansına etkide bulunmaktadır. Reaktantların basıncının artması hücre performansını artırırken gerekli güç ihtiyacı, parazitik güç ve hücre sisteminin daha büyük olmasına sebebiyet verir. Sıcaklığın artması katalizör aktivitelerini, membranın iletkenliğini ve elektro-kimyasal reaksiyon hızlarını artırdığı için hücre performansını artırır.
Anotta hidrojen kullanıldığı, hidrojenin difüze edebilme kabiliyeti çok yüksek olduğu için anot sitokiyometrik oranının yükseltilmesi performansı çok değiştirmez. Bunun yanında katottaki sitokiyometrik oranın artması oksijen miktarını artırdığı ve fazladan oluşan suyu dışarı attığı için hücre performansını artırır. Eğer membranı kurutacak kadar kuru gaz sistemi çalıştırılırsa yakıt hücre performansı azalır.
PEM yakıt hürelerinin ticarileşmesinin önünü açmak için aşağıdaki teknolojik zorluklara çözüm bulunması gerekmektedir. CO toleransını arttırmak için alternatif ekonomik katalizörler geliştirmek Düşük maliyetli alternatif proton ileten bir membran gelistirmeli ancak perflurosülfonik asit membran gibi karalı hale ve aynı proton geçirgenliğine sahip özellikte olması sağlanmalı Yüksek sıcaklıklarda çalısabilmek için sudan bağımsız yeni bir proton ileten membran gelistirmek Düşük maliyetlerde bipolar plakalar üretilmesi Performansını arttırmak, boyutunu küçültmek ve maliyetini düşürmek için yeni hava kompresörlerinin gelistirilmesi Isı ve su yönetiminin daha alt seviyelere tasınabilmesi
Yakıt Hücresi Teknolojisi ve Uygulamaları DOĞRUDAN METANOL KULLANILAN YAKIT PİLİ Göksel ÖZKAN
Prensip olarak PEMYH e benzeyen DMYH nde metanol, alkolün hidrojene reforme edildiği herhangi bir ara basamak olmaksızın doğrudan yakıt hücresine beslendiği ve düşük sıcaklık yakıt hücrelerinin özel bir şeklidir. Yakın Tarih Avantajları Yakıt 1839 buharlaştırıcısının ve buna bağlı olarak ısıtma ve kontrol sistemlerinin olmaması Kompleks nemlendirme ve termik kontrol sistemlerinin olmaması Sıvı metanol/su karışımının 1932 hem yakıt hem de soğutucu görevini aynı anda yapabilmesi Dezavantajları Anot ve katot için elektro katalizörler kullanılmaktadır; bu da verimin zamanla düşmesine sebep olmaktadır. 192 Şu anda kullanılan katalizörlerde yüksek oranda platin vardır. Bu katalizörlerin maliyeti yüksek ve kolaylıkla kimyasal reaksiyon ürünlerinden zehirli duruma geçmektedir Çalışma sıcaklığının düşük olması
DMYH 1839 Çalışma sıcaklığı: 50-120 0 C Verimlilik: %45-55 Yakın Yakıt: Metanol Tarih Güç yoğunluğu: 40 mw/cm 2 Anot: CH 3 OH + H 2 O 6H + + CO 2 + 6e - Katot: 3/2 O 2 + 6H + + 6e - 3 H 2 O Toplam: CH 192 3 OH + 3/2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O 1932
DMYH de Metanol ün Oksidasyonu Anotta meydana gelen metil alkolün parçalanma reaksiyonu çok basamaklıdır ve farklı katalizörler varlığında farklı şekillerde gerçekleşir. Platin yüzeyinde reaksiyon mekanizmasının özeti aşağıdaki gibidir; Pt CH3OH Pt CH3OH Pt CH 3OH Pt CH2OH H e 1839 Pt CH2OH Pt Pt2 CHOH H Pt 2 CHOH Pt Pt3 COH H e Pt3 CHOH Pt Pt4 CO H Bu 4 adım çok hızlı olduğundan 4 bağ kopuşu tek denklemle özetlenebilir. 1932 Pt CH OH Pt CO H 3 4 4 e e e H 2 O Pt Yakın Tarih DMYH sadece metil alkol ile çalışamaz. DMYH ne yakıt olarak su ile metil alkol yüklendiğinden bu zehirlenmeyi gidermek için Pt OH H Pt CO Pt OH CO Pt H 2 2 4e 192 e (*) (**) Aktivasyon enerjisini düşürecek ve reaksiyonu hızlandıracak katalizörlerin kalay, molibden, rutenyum olduğu tespit edilmiştir. Rutenyum atomu diğerlerinden daha iyi performans göstermesi sebebiyle Platin atomunun yanında DMYH için genel anot katalizör olarak kullanılmaktadır.
DMYH Bileşenleri DMYH temel olarak 4 bileşenden oluşur. 1- Akış kanalları 2- Difüzyon tabakaları 3- Katalizör tabakaları 4- PEM 4 Yakıt hücresindeki bu 4 bileşende ayrı karmaşık kimyasal ve fiziksel olaylar meydana gelmektedir. Bir parametrenin değişimi söz konusu olamaz çünkü bir parametrenin değişimi ona bağlı olan başka parametrelerin değişmesine sebep olacaktır.
4 Akış kanalları yakıt hücresinin hem anot hemde katot Akış kısmında Kanalları bulunur. Anot difüzyon tabakasından anot akış kanalına; elektron, karbondioksit, tepkimeye girmemiş metil alkol ve su gelir. Katot akış kanallarında ise katot katalizör tabakasında tepkimeye girecek oksidant ve elektron taşınır. İyi bir akış kanalı; Reaktanları her bölgeye homojen bir şekilde dağıtmalı Ürünlerin birikmeden difüzyon tabakasından atılımını sağlamalı Elektriksel iletkenliği yüksek olmalı Kanallar anot difüzyon tabakası ile yeterince temas etmelidir Akış kanalında bulunan kanalların geometrisi de performansa etki edecektir. Kanalın genişliği, derinliği ve geometrisi CO 2 nin ve elektronun difüzyon tabakasından daha sorunsuz atılmasını sağlayabilmektedir.
Difüzyon tabakası olarak genellikle teflonlanmış Difüzyon karbon Tabakaları bez veya karbon kâğıt kullanılır. Difüzyon tabakasının kalınlığı, teflon miktarı ve elektriksel iletkenliği hücre performansını etkileyen parametrelerdir. Reaksiyon sonucu oluşan suyun katalizör tabakasından akış bölgesindeki kanallara geçişini sağlar. Elektronik ve ısı iletkenliği vardır. Mekanik olarak dayanıklıdır. Bu tabaka yapısı sayesinde gözeneklerde küçülme meydana gelir. Küçük gözenekler de komşu katalizör tabakası ile elektriksel iletkenliğin gelişmesine yardımcı olur. Katot tarafında PTFE nin hidrofob özelliği sayesinde oluşan su etkili bir biçimde katalizör tabakasından difüzyon ortamına taşınır. 4
Bu tabaka; Membran Katalizör ve difüzyon Tabakaları tabakaları arasında bulunur. Elektrokimyasal reaksiyonlar bu bölgede bulunan katalizör yüzeylerinde gerçekleşir. Anot katalizörü olarak Pt-Ru (2-10 mg/cm 2 ) kullanılır. Pt, metil alkol yüzeyindeki hidrojenleri koparırken, rutenyum platin aktif yüzeyinde alıkonulan CO 2 bağının koparılmasına yardımcı olur. Katot katalizör tabakasında ise katalizör olarak Pt (0.1-2.0 mg/cm 2 ) kullanılır. Katot katalizör tabakasında ise elektron ve protonlar Pt yüzeyinde oksijeni indirger ve su açığa çıkarır. Anot katalizör tabakası hücre maliyetini oldukça arttırmaktadır. Katalizör yüklemesini düşürüp performans artışını sağlamak üzere katalizörün daha aktif kullanımına yer verecek üretim metotları da araştırılmaktadır.
Polimer Elektrolit Membran (PEM) Anot ve katot katalizör tabakaları arasında bulunur. PEM; Yüksek proton iletkenliği sağlamalı Anot-katot reaktanlarının birbiri ile karışmasını önlemeli Yakıt hücresi ortamında kimyasal ve mekanik olarak kararlı olmalıdır. Nafion farklı boyutlarda ve kalınlıklarda genellikle 3 basamaklı bir sayı ile satılır. Bu sayının ilk iki basamağı eşlenik ağırlığın 100 e bölünmüş halini, son basamağı ise mil (1 mill=1/1000 inch=25.4 μm) cinsinden membran kalınlığını ifade etmektedir. Örneğin Nafion 117 membran, 7 mil kalınlığında (0.178 mm) ve 110 eşlenik ağırlığa sahiptir. Nafion membranın DMYH lerindeki dezavantajı ise anotta bulunan metil alkolün katot kısmına geçmesini sağlamasıdır. Bu hücre performansında 100 200 mv kadarlık bir aşırı gerilime sebep olur.
Çalışma Şartları Bir DMYH nin performansını difüzyon malzemesi, membran ve katalizör gibi malzemeler etkilediği gibi çalışma koşulları da hücre performansını etkilemektedir. Anot besleme debisi Hücre sıcaklığı Anottaki metil alkol konsantrasyonu hücre performansını etkiler.
Anot Besleme Debisi Anot besleme debisi anot katalizör tabakasında oluşan CO 2 gazını kanallardan dışarı itecek kadar yüksek olmalıdır. Anot besleme debisi düşük tutulursa anot difüzyon tabakasından gelen CO 2 gazı kanalları tıkar ve anot difüzyon tabakasına geçen sıvı miktarı azalır. Metanol ve suyun karışması gerekliliği sistemi biraz kompleksleştirse de anottaki bazı problemleri de azaltmaktadır. Polimer membranların sulu ortamda iyonik iletkenliği artmaktadır. Hava katot üzerinden geçerken, oluşan su da buharlaşmaktadır. Su buharı oranının üretilen sudan fazla olması durumunda anodun ihtiyacı olduğu kadar su buharını toplayabilmesi için hava çıkışına bir kondansör konulmaktadır.
Metil Alkol Konsantrasyonu Anot akış kanalında bulunan metil alkol konsantrasyonu, metil alkolün anot akış kanalından anot difüzyon tabakasına taşınım hızını artırır. Yüksek akım çekilen durumlarda anot katalizör tabakasına metil alkol taşınımı reaksiyon kinetiği hızını karşılamalıdır. (Konsantrasyon polarizasyonu) Anot katalizör tabakasına taşınan metil alkol miktarı reaksiyon kinetiği sonucu tüketilen metil alkol miktarından fazla olursa polarizasyon eğrisinde kütle transfer kaybı gözlenmez ve hücre performansında artış gözlenebilir. Ancak metil alkol konsantrasyonunu yüksek tutmak anottan katoda taşınan metil alkol miktarını da yükseltir ve bu da başta açık devre voltajı olmak üzere tüm yakıt hücresi performansını düşürücü etkiye sahiptir. Özellikle ince PEM (Nafion 112-102) kullanılması durumunda hücre performansı düşebilir.
Çalışma Sıcaklığı DMYH sinde kullanılan malzemelerden PEM 130 o C sıcaklığa dayanabilir. Fakat anot kısmına beslenen metil alkol 65 o C, su ise 100 o C ye kadar sıvı halde kalabilir. Bu durumda çalışma sıcaklığının 65 o C üzeri olan sistemlerde metil alkolün gaz fazına geçmesi sistem üzerinde istenmeyen etkilere sebep olacaktır. Bunu engellemek için anot sıvısı üzerine basınç oluşturarak 100 o C ve üzerine kadar çıkabilmek için yakıt hücresi anot kısmına basınç uygulanmış çalışmalar mevcuttur. Yakıt hücresi sıcaklığını yüksek tutmanın dezavantajı ; PEM in proton iletkenliği azalır, ömrü kısalır. Maliyet (Sıcaklığın artırılması ile üretilen ekstra güç sistemi ısıtmak için kullanılan enerjiden fazla olmamalıdır. Aksi halde DMYH ni yüksek sıcaklıklarda çalıştırmak toplam verimi azaltmaktan başka bir işe yaramaz.)
Yakıt Geçişini Azaltmak İçin Kullanılan Teknikler Anotta kullanılan katalizörün uygun fiyatta ve mümkün olduğunca aktif olması gerekmektedir. Bunun sonucunda metanol anotta daha verimli bir şekilde reaksiyona girecek ve katoda olan metanol geçişi azalacaktır. Beslenen yakıt anoda kontrollü verilmelidir. Böylece düşük akımlarda metanol fazlası olmayacaktır. Özetle; anottaki düşük metanol konsantrasyonu, elektrolitte ve dolayısıyla katotta da daha düşük metanol konsantrasyonuna sebep olacaktır. Yapılan çalışmalara göre, metanol konsantrasyonu genellikle 1M civarındadır. Kullanılan elektrolit kalınlığı, genellikle PEMYH için kullanılan PEM den daha kalın olacak şekilde seçilir. Bunun sonucunda yakıt geçişi azalacak buna karşı iyon geçişine olan direnç dolayısıyla hücre direnci artacaktır. DMYH için kullanılan membran kalınlıkları genelde; 0.15 ve 0.20 mm arasındaki değerlerdir. Bunun yanında PEMYH için kullanılan membran kalınlığı ise; 0.05 ile 0.10 mm arasındadır
DMYH Sistemi
DMYH İÇİN MEK HAZIRLAMA YÖNTEMLERİ DMYH uygulamasının ana komponenti MEK dir. MEK hazırlamada katalizör mürekkebinin karbon kağıdı üzerine yüklenmesinde iki önemli teknik kullanılmaktadır. Püskürtme metodu Sıyırma metodu MEK hazırlanırken katalizör tabakasının yüklendiği yere göre iki farklı metot kullanılmaktadır. Gaz Difüzyon Tabakası Esaslı Metot Katalizör ile hazırlanan mürekkebin doğrudan gaz difüzyon tabakası üzerine yüklenmesi esasına dayanmaktadır. Bu yöntemde katalizörün yüklenmesi kolay olmaktadır. Katalizörün yüklenmesi işlemi kazıma, fırça ile sürme ve püskürtme teknikleriyle yapılmaktadır.
DMYH İÇİN MEK HAZIRLAMA YÖNTEMLERİ Membran Esaslı Metot Katalizör ile hazırlanan mürekkep membran üzerine yüklenmektedir. Bu yöntem püskürtme ve fırça ile sürme teknikleriyle uygulanmaktadır. Bir başka yöntemde ise katalizör mürekkebi teflon tabaka üzerine sürülüp kurutulur sonrasında sıcak-baskı uygulanarak katalizör tabakasının membrana aktarılması sağlanır. Son olarak da katalizör yüklenen membran iki gaz difüzyon tabakası arasına yerleştirip sıcak-baskı uygulanarak MEK oluşturulur.
DMYH İÇİN KATALİZÖR HAZIRLAMA YÖNTEMLERİ Etkin katalizör üretimi için bazı kıstaslar vardır. Bunlar; Katalizörlerin mümkün mertebe küçük olması Katalizör boyut dağılımın dar bir aralıkta olması İkili katalizörlerin iyice alaşımlanması Katalizörün karbon destek üzerine iyi şekilde dağıtılması Katalizörü tutan Nafion çözeltisi ile katalizörün iç içe geçmiş olması Günümüzde üç tane katalizör üretim metodu aktif bir şekilde kullanılmaktadır; Emdirme metodu Kolloid metodu Mikroemülsiyon metodu
DMYH İÇİN KATALİZÖR HAZIRLAMA YÖNTEMLERİ Emdirme Metodu Emdirme metodunda hazırlanan katalizörlerin tuzları, önce bir sıvı çözücüde (su, alkol) çözünür. Daha sonra içine destek olarak kullanılması düşünülen karbon siyahı çözelti içine bırakılır ve karbon üzerine katalizör tanecikleri emdirilir. Tuz: Hekzakloroplatinik asit (H 2 PtCl 6 ), rutenyum klorür (RuCl 3 ) İndirgen: Formaldehit (HCHO), hidrojen (H 2 ), sodyum bor hidrür (NaBH 4 ) Kolloid Metodu Katalizör tuzları bir çözücü içinde çözündükten sonra indirgendiğinde katı hale geçecek hidrofilik katalizörlerin boyutunu sınırlandırmak için surfaktan moleküller katalizör çözeltisine bırakılır. Katalizör indirgendiğinde surfaktan katalizör nano partiküllerini sarar ve aglomerasyonu önler. Böylece küçük boyutlu nano katalizörleri üretmek mümkündür. Tuz: Kloroplatinik asit, platin klorür (PtCl 2 ), rutenyum klorür
DMYH İÇİN KATALİZÖR HAZIRLAMA YÖNTEMLERİ Tablo 1. Emdirme metodu ile hazırlanan katalizörlerin listesi ve performans değerleri Katalizör Boyut nm Performans Tablo 2. Kolloid yöntemi ile hazırlanan katalizörlerin listesi ve performans ifadeleri. Katalizör Boyut nm Performans 20 % PtRu (1:1) 4.62 65 mw/cm 2 20 % PtRu (1:1) 4.06 30 mw/cm 2 20 % PtRu (1:1) 6.39 50 mw/cm 2 PtRuRhNi 4.5 185 mw/cm 2 (50:40:5:5) PtRuRh (5:4:1) 3-4 200 mw/cm 2 PtRu (1:1) 3-4 165 mw/cm 2 PtRh (2:1) 3-4 140./cm 2 20 % PtRu (1:1) 27 % PtRu (1:1) 30 % PtRu (1:1) 30 % PtRu (4:1) 5-2-3-3.5 180 mw/cm 2 2 -
DMYH İÇİN KATALİZÖR HAZIRLAMA YÖNTEMLERİ Mikroemülsiyon Metodu Mikroemülsiyon metodunda katalizör tuzları bir çözücü içinde çözündükten sonra ikinci bir faz oluşturacak bir çözücü içine konur. Oluşan mikro noktacıklar, mikro reaktör olarak davranır. Aglomerasyona sebep olmaması için yine surfaktan kullanılır. Tablo 3. Mikroemülsiyon yöntemi ile hazırlanan katalizörlerin listesi ve performans ifadeleri. Katalizör Boyut nm Performans İndirgen PtRu(4:3) 3.2 78 mw/cm 2 NaBH 4 PtRu(2:1) 3.4 57 mw/cm 2 HCHO PtRu 3-13
KAYNAKLAR Chalk ve arkadaşları, Journal of Power Sources, 71,31,1998 ÇALISKAN N., Karbon Destekli Platin ve Platin İkinci Metal Nano Partiküllerin Etilen Glikol İndirgenmesi ile Hazırlanması ve Tanımlanması, Yüksek lisans tezi, İstanbul Üniversitesi, 2007. ESMER M., PEM Tipi Yakıt Hücresinin Bilgisayar Ortamında Modellenerek Çalışma Parametrelerinin Performansa Etkilerini ile Isıl ve Mekanik Yükler Alatında Gerilme Dağılımının İncelenmesi, Yüksek lisans tezi, Gebze İleri teknoloji Enstitüsü, 2010 HOOGERS, G., Fuel cell technology handbook, by CRC Press LLC, 2003. İnternet: http://www.gyte.edu.tr/materials/default.aspx?pg=2e4e29f8-689c-4126- b05d-e6a9b225cc4d, 2011 KARAÇİÇEĞİ D., PEM Yakıt Hücresi Anodunda Kullanılmak Üzere Platinin İkili Alaşımlarının Sentezi, Karakterizasyon ve CO Kirliliğinin Belirlenmesi, Yüksek Lisans tezi, Gazi Üniversitesi, 2010 OĞUZ A.E., Hidrojen Yakıt Pilleri ve PEM Yakıt Pilinin Analizi Yüksek Lisans tezi, Gazi Üniversitesi,2006 ÖZDEMİR E., CuOx-CeO2 Kompozit Katalizörlerine CoOx İlavesinin Etkinlik ve Seçimliliğine Etkisinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi, 2006. ZHANG, J., YIN, G., WANG, Z., SHAO, Y., 2006, Effects of MEA preparation on the performans of a direct methanol fuel cell, Journal of Power Sources, 160:1035 1040