Sepiyolit ve kaolin katkılı sülfolanmış poli (eter eter keton) kompozit membranın sentezi, karakterizasyonu ve yakıt hücresinde denenmesi
Synthesis, characterization and fuel cell test of sepiyolite and kaolinite added sulfonated poly (ether ether ketone) composite membrane
Yazar: AYGÜN ÇALI
Danışman: PROF. DR. İRFAN AR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Polimerik membranlar = Polymeric membranes

Özet:
Yakıt hücreleri, alternatif enerji üretiminde kullanılan en önemli teknolojilerden biridir. Yakıt hücreleri; hidrojen gibi kaynakları kullanan ve kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren cihazlardır. Proton değişim membranlı yakıt hücreleri (PDMYH); hızlı çalışabilmesi, yüksek verimliliği, düşük yatırım maliyeti ve çevre dostu olmalarıyla bilinir. Bu yapılan çalışmada amaç, PDMYH'de kullanılmak üzere Nafyon gibi ticari membranlara alternatif olacak bir membran sentezlemektir. Araştırmalar sonucunda; yüksek proton iletkenliği, termal kararlılığı ve mekanik dayanıklılığından dolayı membran yapısı olarak poli eter eter keton (PEEK) polimeri seçilmiştir. PEEK polimerinin sülfolanması membranın proton iletkenliğini artırdığından doayı polimer, membran sentezinden önce sülfolanmıştır. Membran sentez yöntemi olarak klasik döküm yöntemi seçilmiş ve membrana kütlece farklı oranlarda sepiyolit ve kaolin katkı maddeleri eklenmiştir. Membranların termal kararlılığını artırmak için termal çaprazlama işlemi uygulanmıştır. Su tutma kapasitesi, şişme özelliği, iyon değişim kapasitesi, FT-IR analizi, mekanik dayanıklılık, termal kararlılık, elektrokimyasal empedans ölçümü ve yakıt hücresi performans testleri gibi karakterizasyon yöntemleri yerine getirilmiştir. Termal gravimetrik analizi sonuçlarına göre, sepiyolit ve kaolin katkılarının sülfolanmış poli eter eter keton (SPEEK) membranının termal kararlılığını artırdığı gözlemlenmiştir. Sepiyolit ve kaolin katkılı SPEEK membranlarının proton iletkenliği sıcaklık artışıyla artmış ve 80 °C'deki en yüksek proton iletkenliği 0,56 S/cm olarak hesaplanmıştır (SPEEK/K9). SPEEK/K9 membranın iyon değişim kapasitesi 0,02 meq/g olarak ölçülmüş ve su tutma kapasitesi %3,98 olarak hesaplanmıştır.

Abstract:
Fuel cells are one of the most important technologies that are used in alternative energy production. Fuel cells are devices that use sources like hydrogen and convert chemical energy directly to the electrical energy. Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) are known for their quick start-up, high productivity, low investment cost and enviroment friendly. In this study, the aim is to synthesise an alternative membrane to commercial membranes like Nafion in order to use in PEMFC. As a result of the researches, poly-ether-ether-ketone (PEEK) polymer was selected as membrane structure due to its high proton conductivity, thermal stability and mechanical stability. Since the sulfonation of the PEEK polymer increases the proton conductivity of the membrane, the polymer was sulfonated before the membrane synthesis. The classic casting method was selected as membrane synthesis method, and sepiyolite and kaolinite additives were added to the membrane in different ratios (w/w). On the purpose of increasing the thermal stability of the membranes, thermal crosslinking procedure was applied.  Characterization methods such as water uptake capacity,  swelling property,  ion exchange capacity, FT-IR analysis, mechanical stability, thermal stability, electrochemical empedance measurement and fuel cell performance tests were carried out.  According to the thermal gravimetric analysis results, it was observed that the sepiolite and kaolinite additives increased the thermal stability of the sulfonated poly-ether-ether-ketone (SPEEK) membrane. Proton conductivity of the sepiolite and kaolinite added SPEEK membranes increased with increasing temperature and the highest proton conductivity at 80 °C was calculated as 0,56 S/cm  (SPEEK/K9).  The ion exchange capacity of the SPEEK/K9 membrane was measured as 0,02 meq/g and its water uptake was calculated as 3,98%.