Doğrudan gliserol yakıt pilleri için PBI temelli kompozit membran geliştirilmesi
Development of PBI based composite membrane for direct glycerol fuel cells
Yazar: CEYDA ELİF MEYDAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMİZ GÜLTEKİN AKAY
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Anyon değiştirici membranlar = Anion exchange membranes ; Elyaf = Fibre ; Grafen oksit = Graphene oxide ; Polimerik membranlar = Polymeric membranes ; Yakıt pili = Fuel cell ; İyonik sıvılar = Ionic liquids

Özet:
Yakıt pilleri çevreci ve verimli bir enerji sistemi içinde kritik bir öneme ve yere sahip olacağı düşünülen enerji dönüştürücü teknolojilerdir. Kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren elektrokimyasal aygıtlar olan yakıt pilleri araştırmaları konusunda tüm dünyada malzeme ve sistem geliştirme üzerine yoğun akademik ve endüstriyel çalışmalar sürmektedir. Hidrojen üretim, dağıtım ve depolanmasında karşılaşılan güçlükler alternatif sıvı yakıt pillerine olan ilgiyi artırmıştır. Doğrudan sıvı yakıt pilleri hem asidik hem de alkali ortamlarda çalışabilmektedir. Metanol, etanol, formik asit, glikoz etilen glikol, gliserol gibi birçok yakıt türü kullanılabilir. Bunlar içinde gliserol arz fazlalığı nedeniyle maliyetinin düşmesi için önemli bir alternatiftir. Toksik olmayan, uçuculuğu çok düşük bir enerji kaynağı olan gliserolün yakıt pillerinde değerlendirilebilmesi ve bu sistemin geliştirilmesi için temel motivasyonu yaratmaktadır. Literatürde doğrudan gliserol yakıt pillerle ilgili olarak az sayıda çalışma bulunmaktadır. 
Bu çalışmada yakıt pillerinin en kritik ve önemli bileşenlerinden olan ve kullanılan yakıta göre geliştirilmesi gereken membran geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu temel amaç doğrultusunda polibenzimidazol (PBI) polimer temelli kompozit membranlar sentezlenmiş ve ardından sentezlenen membranların FTIR, su tutma kapasitesi, iyonik iletkenlik, yakıt geçirgenliği gibi fiziksel, elektrokimyasal karakterizasyonları yapılmıştır. Çalışmada, polibenzimidazol./.iyonik sıvı fonksiyonelleştirilmiş grafen oksit (IL-GO) kompozit membranlar sentezlenmiştir. IL-GO, PBI bazlı kompozit membranlar için katkı maddesi olarak uygulanmıştır. Bu sistem için geliştirilen kompozit membran çalışılacak alkali ortam ve yakıt pili bakımından özgün bir çalışma olacaktır. 

Yapılan çalışmalar sonucu membranların iyonik iletkenliği 60 °C sıcaklıkta en yüksek %2 ILGO/PBI membranında 0,014 S/cm bulunmuştur. Yakıt geçirgenliği testlerinde potansiyometrik yöntem kullanılmıştır ve kompozit membrandaki ILGO oranı arttıkça yakıt geçirgenliğinin arttığı görülmüştür. 

Anahtar Kelimeler: Anyon Değişim Membran, Doğrudan Gliserol Yakıt Pilleri, İyonik Sıvı Fonksiyonelleştirilmiş Grafen Oksit, Polibenzimidazol.

Abstract:
Fuel cells are energy conversion technologies that are thought to have a critical importance and place in a more environmentally and efficient energy system. Intensive academic and industrial studies on material and system development continue all over the world on fuel cells research, which are electrochemical devices that convert chemical energy directly into electrical energy. Difficulties encountered in hydrogen production, distribution and storage have increased the interest in alternative liquid fuel cells. Direct liquid fuel cells can work in both acidic and alkaline environments. Many fuel types such as methanol, ethanol, formic acid, glucose ethylene glycol, glycerol can be used. Among them, glycerol is an important alternative to reduce costs due to excess supply. It creates the motivation for the development of this system in order to use glycerol, which is a non-toxic, very low volatile energy source, in fuel cells. There is little work in the literature related to directly glycerol fuel cells.
In this study, it is aimed to develop a membrane, which is one of the most critical and important components of fuel cells and should be developed according to the fuel used. For this basic purpose, polybenzimidazole (PBI) polymer-based composite membranes were synthesized and then physical and electrochemical characterizations of the synthesized membranes such as FTIR, water uptake capacity, ionic conductivity, fuel permeability were made. In the study, polybenzimidazole/.ionic liquid functionalized graphene oxide (IL-GO) composite membranes were synthesized. IL-GO has been applied as an additive for PBI-based composite membranes. It is thought that the composite membranes to be developed for this system will be unique in terms of the alkaline environment and fuel cell type to be studied. As a result of the studies, the ionic conductivity of the membranes was found to be 0.014 S/cm at 60 °C, with the highest 2% ILGO/PBI membrane. The potentiometric method was used in the fuel permeability tests and it was observed that the fuel permeability increased as the ILGO ratio in the composite membrane increased.

Keywords: Anion Exchange Membrane, Direct Glycerol Fuel Cell, Ionic Liquid Functionalized Graphene Oxide, Polybenzimidazole.