Yüksek sıcaklık PEM yakıt pilleri için polibenzimidazol bazlı membranların geliştirilmesi
Development of polybenzimidazole based membranes for high temperature PEM fuel cells
Yazar: ARZU GÖBEK
Danışman: PROF. DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN YURTCAN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Fosforik asit = Phosphoric acid ; Membranlar = Membranes ; Polimer elektrolitler = Polymer electrolytes ; Yakıt pili = Fuel cell

Özet:
Amaç: Bu tez çalışması kapsamında yüksek sıcaklıkta çalışabilecek polimer elektrolit membran yakıt pilleri (PEMYP) için yaygın olarak kullanılan polibenzimidazol (PBI) polimerinin sentezinde kullanılan monomerlerden biri olan izoftalik asit (İPA)'in modifiye edilmesiyle farklı fonksiyonel gruplar içeren fosforik asit (H3PO4) katkılı yeni PBI bazlı membranların elde edilmesi amaçlanmıştır.
Yöntem: Yeni PBI bazlı membranlar geliştirmek için bir kısmı ticari olarak satın alınan ve bir kısmınında kimyasal olarak sentezlerinin gerçekleştirildiği İPA ve İPA türevi bileşiklerle PBI polimerlerinin sentezi gerçekleştirilmiştir. Sentezi gerçekleştirilen yeni PBI bazlı polimerlerden ilgili membranlar elde edilmiştir. Elde edilen membranlar H3PO4 ile katkılanarak PEMYP 'de kullanılabilecek iyi derecede proton iletkenliğine sahip polimer elektrolitler hazırlanmıştır. 
Bulgular: Hedeflenen tüm PBI ve PBI bazlı polimerlerin sentezi başarıyla gerçekleştirilmiş ve kimyasal yapıları 1H-NMR, FTIR, XRD ve Elementel analiz ile doğrulanmıştır. İlgili polimerlere membran dökümü ve asit katkılama işlemleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen asit katkılı membranalara FTIR, XRD, TGA, SEM, EDX, mekanik mukavemet ve iletkenlik testleri yapılarak literatürle karşılaştırılmıştır.       
Sonuç: Sentezi gerçekleştirilen tüm polimerlere ve bu polimerlerden elde edilen membranlara yapılan analizlerin literatürle uyumlu olduğu belirlenmiştir. Farklı fonksiyonel gruplar içeren yeni PBI bazlı polimerlere eklenen bu grupların PBI'nın yapı-özellik ilişkisi üzerine etkileri incelenmiştir. Bu grupların, polimerlerin çözünürlükleri ve membranların esneklikleri üzerinde olumlu etkilerinin olduğu gözlenmiştir. Sonuç olarak PEMYP'de kullanılabilecek iyi derecede kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip yeni PEM'ler geliştirilmiştir.

Abstract:
Purpose: In this thesis, it is aimed to obtain new PBI-based membranes with phosphoric acid (H3PO4) containing different functional groups by modifying isophthalic acid (IPA), one of the monomers used in the synthesis of polybenzimidazole (PBI) polymer, which is widely used for polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) that can operate at high temperatures.
Method: In order to develop new PBI-based membranes, PBI polymers were synthesized with IPA and IPA derivative compounds, some of which were purchased commercially and some of which were chemically synthesized. Relevant membranes were obtained from synthesized new PBI-based polymers. The obtained membranes were doped with H3PO4 and polymer electrolytes with good proton conductivity were prepared that can be used in PEMYP.
Findings: All targeted PBI and PBI-based polymers were synthesized successfully, and their chemical structures were confirmed by 1H-NMR, FTIR, XRD and Elemental analysis. Membrane casting and acid doping processes were carried out to the relevant polymers. FTIR, XRD, TGA, SEM, EDX, mechanical strength and conductivity tests were performed on the obtained acid-doped membranes and compared with the literature.
Results: It was determined that the analyzes made on all synthesized polymers and membranes obtained from these polymers were compatible with the literature. The effects of groups added to new PBI-based polymers containing different functional groups on the structure-property relationship of PBI were examined. It has been observed that these groups have positive effects on the solubility of polymers and the flexibility of membranes. As a result, new PEMs with good chemical and physical properties that can be used in PEMYP have been developed.