PEM YAKIT HÜCRELERİ İÇİN MEMBRAN-ELEKTROT-YIĞINLARININ HAZIRLANMASI VE KARAKTERİZASYONU
PREPARATION AND CHARACTERIZATON OF MEMBRANE-ELECTRODE-ASSEMBLIES FOR PEM FUEL CELL
Yazar: SERPİL YILMAZTÜRK GÜNEY
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN DELİGÖZ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Fosil yakıtların hızla tükenmesi ve artan enerji ihtiyacı nedeniyle yakıt hücreleri son yıllarda üzerinde en çok araştırma yapılan alternatif enerji kaynakları içerisinde yer almaktadır. Farklı birçok yakıt hücresi türü arasında polimer elektrolit membran yakıt hücreleri (PEMYH), düşük çalışma sıcaklığı, yüksek verimlilikte enerji üretmesi ve gürültü probleminin olmaması gibi birçok avantajı nedeniyle akademik ve endüstriyel çevreler tarafından yoğun ilgi çekmektedir. 
Tez kapsamında, tabakalı kaplama yöntemiyle (LbL) çok tabakalı kompozit membranlar ve katalizör kaplı membranların (KKM) hazırlanması için öncelikle daldırma hızının hücre performansını doğrudan etkileyen proton iletkenlik (σ) ve metanol geçirgenlik özellikleri üzerindeki etkileri incelenerek optimum daldırma hızı belirlenmiştir. Takiben bu daldırma hızında dört farklı yöntemle KKM'lar hazırlanmış ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), UV-Vis spektroskopisi ve Kuartz Kristal Mikrobalans Dissipasyon (QCM-D) analizleri ile Nafion membran yüzeyine kaplanan ince filmlerin yapısal karakterizasyonunun yanı sıra PEMYH'de tek hücre performans testleri de gerçekleştirilmiştir. Farklı yöntemler ile hazırlanmış KKM'lardan oluşturulan membran-elektrot-yığınlarının (MEY) H2/hava beslemeli yakıt hücresi performans testleri sonucunda, Nafion®117 membrana göre %18 daha yüksek güç yoğunluğu değeri elde edilmiştir. Yakıt, katalizör ve membran arasındaki üç faz sınırının geliştiği Yöntem 4 ile diğer yöntemlere kıyasla daha üstün güç yoğunluğu değeri elde edilmiştir. 
Tez kapsamında ayrıca Nafion®112 membranı kullanılarak kompozit membranlar ve KKM'lar (yöntem 4'e göre) LbL tekniği ile hazırlanmış ve bu membranlardan oluşturulmuş MEY'lerin metanol/hava beslemeli doğrudan metanol yakıt hücresindeki (DMYH) performansları incelenmiştir. Nafion®112 esaslı MEY'na kıyasla LbL kompozit membran ve KKM esaslı MEY'larından oldukça umut verici hücre performansı değerleri elde edilmiştir. LbL kompozit membran esaslı MEY'larının tek hücre performansları 19,5 ve 22 mW/cm2 olarak, 10 çift tabaka poli (alilamin hidroklorür) (PAH) ve Pt içeren poli (vinil sülfonik asit) (PVS)'den hazırlanan KKM'dan oluşturulmuş MEY'nın güç yoğunluğu değeri ise 24 mW/cm2 olarak bulunmuştur. Elde edilen bu güç yoğunluğu değeri orijinal Nafion®112 esaslı MEY'na göre yaklaşık %65,5 daha yüksektir. İndüktif eşleşmeli plazma kütle spektroskopisi (ICP-MS) analizi ile Pt partiküllerinin 0,28 μg/cm2 oranında LbL çok tabakalı film içerisine yüklendiği tespit edilmiştir. Performans değerlendirme analizlerinden elde edilen sonuçlara göre, DMYH uygulamalarında üstün proton iletkenliği özelliğinin yanı sıra gelişmiş metanol bariyer özelliği ile LbL yöntemiyle hazırlanmış ince KKM'ların kalın membranlar yerine kullanımının çok daha uygun olacağı belirlenmiştir.
Kompozit membranlar ve KKM'ların hazırlanması için ticari polielektrolitlerin tez çalışmalarında kullanımının yanı sıra elektronik iletkenlik özelliğine ve konjuge bağlara sahip yeni tip polielektrolitler sentezlenmesi ve yakıt hücresi uygulamalarındaki performans özelliklerine etkisi incelenmiştir. Bu kapsamda, iletken polimerler alanında önemli bir yere sahip olan Polianilin (PANi) öncelikle modifiye edilerek suda çözünür sülfone Polianilin (sPANi) yapısına çevrilmiş ve takiben alternatif anyonik polielektrolit olarak tez çalışmalarında kullanılmıştır. Nafion membranın her iki yüzeyine çok tabakalı PANi bazlı filmlerin kaplanması UV-vis ve SEM analizleri ile incelenmiş ve başarılı bir şekilde kaplamanın gerçekleştiği görülmüştür. Asit katkılı LbL kompozit membran esaslı MEY'nın PEMYH performansı 10 ve 5 tabakalı ürünler için artan tabaka sayısı ile birlikte sırasıyla 160 mW/cm2'den 126 mW/cm2'ye düşmüştür. Daha düşük kaplama sayısı durumunda güç yoğunluğunda gözlenen iyileşme temel olarak, elektrolit üzerinden kolaylaştırılmış proton transferi ile açıklanabilmektedir. Ayrıca, katalizör içeren polielektrolit ile hazırlanan 10 tabakalı KKM esaslı MEY'nın hücre performansı, 720 mW/mgPt oranındaki Pt kullanımı durumunda 360 mW/cm2 olarak bulunmuştur. Elde edilen bu güç yoğunluğu değeri Nafion®117 esaslı MEY'na göre yaklaşık %82 oranında daha yüksektir. Farklı şekillerde yapılandırılmış MEY'ları için yapılan hücre performans değerlendirmelerine göre, kompozit membranlar yerine LbL KKM'ların kullanımının ve daha ince elektrolitlerin üretilmesinin, omik dirençte belirgin bir azalmaya neden olmasına bağlı olarak daha yüksek bir H2/hava hücre aktivitesine sebep olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, sPANi kullanımının, üç faz sınırını artırması nedeniyle hücre performansını geliştirdiği ve iletkenlik, ısıl kararlılık gibi üstün fizikokimyasal özelliklere yol açabildiği yapılan çalışmalar ile açık bir şekilde gözlenmiştir.

Abstract:
Fosil yakıtların hızla tükenmesi ve artan enerji ihtiyacı nedeniyle yakıt hücreleri son yıllarda üzerinde en çok araştırma yapılan alternatif enerji kaynakları içerisinde yer almaktadır. Farklı birçok yakıt hücresi türü arasında polimer elektrolit membran yakıt hücreleri (PEMYH), düşük çalışma sıcaklığı, yüksek verimlilikte enerji üretmesi ve gürültü probleminin olmaması gibi birçok avantajı nedeniyle akademik ve endüstriyel çevreler tarafından yoğun ilgi çekmektedir. 
Tez kapsamında, tabakalı kaplama yöntemiyle (LbL) çok tabakalı kompozit membranlar ve katalizör kaplı membranların (KKM) hazırlanması için öncelikle daldırma hızının hücre performansını doğrudan etkileyen proton iletkenlik (σ) ve metanol geçirgenlik özellikleri üzerindeki etkileri incelenerek optimum daldırma hızı belirlenmiştir. Takiben bu daldırma hızında dört farklı yöntemle KKM'lar hazırlanmış ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), UV-Vis spektroskopisi ve Kuartz Kristal Mikrobalans Dissipasyon (QCM-D) analizleri ile Nafion membran yüzeyine kaplanan ince filmlerin yapısal karakterizasyonunun yanı sıra PEMYH'de tek hücre performans testleri de gerçekleştirilmiştir. Farklı yöntemler ile hazırlanmış KKM'lardan oluşturulan membran-elektrot-yığınlarının (MEY) H2/hava beslemeli yakıt hücresi performans testleri sonucunda, Nafion®117 membrana göre %18 daha yüksek güç yoğunluğu değeri elde edilmiştir. Yakıt, katalizör ve membran arasındaki üç faz sınırının geliştiği Yöntem 4 ile diğer yöntemlere kıyasla daha üstün güç yoğunluğu değeri elde edilmiştir. 
Tez kapsamında ayrıca Nafion®112 membranı kullanılarak kompozit membranlar ve KKM'lar (yöntem 4'e göre) LbL tekniği ile hazırlanmış ve bu membranlardan oluşturulmuş MEY'lerin metanol/hava beslemeli doğrudan metanol yakıt hücresindeki (DMYH) performansları incelenmiştir. Nafion®112 esaslı MEY'na kıyasla LbL kompozit membran ve KKM esaslı MEY'larından oldukça umut verici hücre performansı değerleri elde edilmiştir. LbL kompozit membran esaslı MEY'larının tek hücre performansları 19,5 ve 22 mW/cm2 olarak, 10 çift tabaka poli (alilamin hidroklorür) (PAH) ve Pt içeren poli (vinil sülfonik asit) (PVS)'den hazırlanan KKM'dan oluşturulmuş MEY'nın güç yoğunluğu değeri ise 24 mW/cm2 olarak bulunmuştur. Elde edilen bu güç yoğunluğu değeri orijinal Nafion®112 esaslı MEY'na göre yaklaşık %65,5 daha yüksektir. İndüktif eşleşmeli plazma kütle spektroskopisi (ICP-MS) analizi ile Pt partiküllerinin 0,28 μg/cm2 oranında LbL çok tabakalı film içerisine yüklendiği tespit edilmiştir. Performans değerlendirme analizlerinden elde edilen sonuçlara göre, DMYH uygulamalarında üstün proton iletkenliği özelliğinin yanı sıra gelişmiş metanol bariyer özelliği ile LbL yöntemiyle hazırlanmış ince KKM'ların kalın membranlar yerine kullanımının çok daha uygun olacağı belirlenmiştir.
Kompozit membranlar ve KKM'ların hazırlanması için ticari polielektrolitlerin tez çalışmalarında kullanımının yanı sıra elektronik iletkenlik özelliğine ve konjuge bağlara sahip yeni tip polielektrolitler sentezlenmesi ve yakıt hücresi uygulamalarındaki performans özelliklerine etkisi incelenmiştir. Bu kapsamda, iletken polimerler alanında önemli bir yere sahip olan Polianilin (PANi) öncelikle modifiye edilerek suda çözünür sülfone Polianilin (sPANi) yapısına çevrilmiş ve takiben alternatif anyonik polielektrolit olarak tez çalışmalarında kullanılmıştır. Nafion membranın her iki yüzeyine çok tabakalı PANi bazlı filmlerin kaplanması UV-vis ve SEM analizleri ile incelenmiş ve başarılı bir şekilde kaplamanın gerçekleştiği görülmüştür. Asit katkılı LbL kompozit membran esaslı MEY'nın PEMYH performansı 10 ve 5 tabakalı ürünler için artan tabaka sayısı ile birlikte sırasıyla 160 mW/cm2'den 126 mW/cm2'ye düşmüştür. Daha düşük kaplama sayısı durumunda güç yoğunluğunda gözlenen iyileşme temel olarak, elektrolit üzerinden kolaylaştırılmış proton transferi ile açıklanabilmektedir. Ayrıca, katalizör içeren polielektrolit ile hazırlanan 10 tabakalı KKM esaslı MEY'nın hücre performansı, 720 mW/mgPt oranındaki Pt kullanımı durumunda 360 mW/cm2 olarak bulunmuştur. Elde edilen bu güç yoğunluğu değeri Nafion®117 esaslı MEY'na göre yaklaşık %82 oranında daha yüksektir. Farklı şekillerde yapılandırılmış MEY'ları için yapılan hücre performans değerlendirmelerine göre, kompozit membranlar yerine LbL KKM'ların kullanımının ve daha ince elektrolitlerin üretilmesinin, omik dirençte belirgin bir azalmaya neden olmasına bağlı olarak daha yüksek bir H2/hava hücre aktivitesine sebep olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, sPANi kullanımının, üç faz sınırını artırması nedeniyle hücre performansını geliştirdiği ve iletkenlik, ısıl kararlılık gibi üstün fizikokimyasal özelliklere yol açabildiği yapılan çalışmalar ile açık bir şekilde gözlenmiştir.