Proton değişim membranlı yakıt hücreleri için grafen oksit katkılı kompozit elektrolitlerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of graphene oxide doped composite electrolytes for proton exchange membrane fuel cells
Yazar: ESRA ÇOBAN
Danışman: DOÇ. DR. MESUT YILMAZOĞLU
Yalova Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya ve Süreç Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Enerji = Energy ; Grafen oksit = Graphene oxide ; Proton = Proton ; Yakıt hücreleri = Fuel cells ; İletkenlik = Conductivity

Özet:
Yakıt hücreleri, kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine çeviren elektrokimyasal sistemlerdir. Yakıt hücresi türleri içerisinde proton değişim membranlı yakıt hücreleri (PDMYH) de, birçok uygulama alanında kullanıma elverişli, çevre dostu ve yüksek enerji verimli alternatif enerji kaynakları olarak dikkat çekmektedir. Yaygın olarak kullanılan ticari Nafion membran, tamamen nemlendirilmiş, suya doygun operasyon şartlarında, üstün proton iletkenliği sergilerken, proton iletkenliğinin 80 ℃ üzerine çıkıldığında düşmesi, büyük ölçekli uygulamalar için Nafion kullanımını engellemektedir. Bu operasyon şartlarında, polieter eter keton (PEEK), polibenzimidazol (PBI) ve polisülfon (PSF) gibi aromatik polimer matrisleri yüksek sıcaklıklarda üstün termomekanik kararlılıklarıyla proton değişim membran alternatifi olarak ilgi görmektedir. Saf polimer matrislerinin düşük iyonik iletkenlikleri, yakıt hücresi uygulamalarında kullanımı için uygun değildir. Bu nedenle, sülfonasyon ve klorometilasyon gibi çeşitli yöntemlerle iyon iletken forma dönüştürülmeleri gerekir. Özellikle sülfone polieter eter keton (SPEEK) uygun maliyeti, üstün termal/mekanik dayanımı ve yüksek kimyasal stabilitesiyle iyi bir alternatif olarak dikkat çekmiş ve bu alanda literatürde birçok çalışmaya konu olmuştur. Son yıllarda, hidrofilik grafen oksit (GO) molekülü, benzersiz yapısı ile birçok uygulama alanında kullanımı ve verimliliği ile dikkat çekmiştir. GO yapısındaki fonksiyonel grupların varlığı daha fazla su tutmaya ve proton iletkenliğini geliştirmeye yardımcı olur. Bunun yanı sıra yapının sülfonasyon işlemi gibi işlemlerle işlevselleştirilmesi, inorganik bir dolgu maddesi olarak polimer matrisler için uygun hale gelmesini sağlar. Bu çalışmada belirli bir sülfonasyon derecesine (SD) sahip SPEEK polimer matrisine farklı oranlarda GO katkısıyla üretilmiş polimer elektrolit membranların yakıt hücresi uygulamaları için performansı değerlendirilmiştir. Polimer elektrolit membranlara ait yapısal, termal ve morfolojik karakterizasyonlar sırasıyla FT-IR, TGA ve SEM analizleri ile gerçekleştirilmiş, membranların proton iletkenlikleri değerlendirilmiştir.

Abstract:
Fuel cells are electrochemical systems that convert chemical energy directly into electrical energy. Among the fuel cell types, proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) draw attention as alternative energy sources that are suitable for use in many environmentally friendly and highly energy efficient applications. While the widely used commercial Nafion membrane exhibits superior proton conductivity under fully humidified, water-saturated operating conditions, the decrease in proton conductivity above 80℃ prevents the use of Nafion for large-scale applications. In these operating conditions, aromatic polymer matrices such as polyether ether ketone (PEEK), polybenzimidazole (PBI) and polysulfone (PSF) are of interest as proton exchange membrane alternatives with their superior thermomechanical stability at high temperatures. The low ionic conductivity of pure polymer matrices makes them unsuitable for use in fuel cell applications. Therefore, they must be converted to the ion-conducting form by various methods such as sulfonation and chloromethylation. Especially sulfonated polyether ether ketone (SPEEK) has attracted attention as a good alternative with its affordable cost, superior thermal/mechanical strength and high chemical stability and has been the subject of many studies in the literature. In recent years, the hydrophilic graphene oxide (GO) molecule, with its unique structure, has attracted attention with its use and efficiency in many application areas. The presence of functional groups in the GO structure helps to retain more water and improve proton conductivity. In addition, functionalization of the structure by processes such as sulfonation makes it suitable for polymer matrices as an inorganic filler. In this study, the performance of polymer electrolyte membranes produced by adding GO with different ratios to the SPEEK polymer matrix with a certain degree of sulfonation (DS) for fuel cell applications was evaluated. Structural, thermal and morphological characterizations of polymer electrolyte membranes are performed by FT-IR, TGA and SEM analysis, respectively, and proton conductivity of the membranes is evaluated.