PEM tipi yakıt hücrelerinde kullanılan iletken membran polimer-inorganik nanokompozit yapıların mekanik ve iletim özelliklerine etkisi
The effect of conductive polymer-inorganic nanocomposite membrane structures on mechanical and conductivity properties used in PEM type fuel cells
Yazar: MERT AKEL
Danışman: DOÇ. DR. ALİ MURAT SOYDAN
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Bor nitrür = Boron nitride ; Fosforik asit = Phosphoric acid ; Kompozit malzemeler = Composite materials ; Polimerik membranlar = Polymeric membranes ; Triazoller = Triazoles ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Polimer Elektrolit Membran Yakıt Hücreleri (PEMYH)'nin çalışma performansı ile kullanılan membranın proton iletkenliği arasında doğru bir korelasyon mevcuttur. PEMYH'lerde kullanılan Nafion ve benzeri polimer elektrolitlerin yüksek proton iletkenliği gösterebilmesi için hidrasyonu gereklidir. Bununla beraber çalışma sıcaklığının yükseltilmesi elektrotlarda ve iyonik iletkenlikte kinetik ve termodinamik olarak olumlu katkılar sunmanın yanı sıra yakıt saflığına tolerans ve ohmik kayıplardan oluşan ısının değerlendirilmesi gibi avantajlar da beraberinde getirmektedir. Ancak 80°C'ye kadar sağlanan bu avantajlar daha yüksek sıcaklıklarda dehidrasyon sonucu dramatik şekilde kaybolmaktadır. Ayrıca Nafion tarafından su alımı hacimsel büyüme ile sonuçlanarak sistemin stabilitesini düşürüp ömrünü kısaltmaktadır. 
Bu çalışmada, PEMYH'ler için membran malzemesi olarak kullanılan tamamen florürlenmiş iyon iletken polimer Nafion ana matrisinin Nano Hegzagonal Bor Nitrür (NhBN), Fosforik Asit Hemihidrat (FAH) ve Triazol bileşiklerinin farklı katkılandırma oranları ile elde edilmiş kompozit karışımlarının morfolojik, kimyasal, elektriksel, mekanik, su ve metanol taşıma özellikleri araştırılmıştır. Kompozit yapı ile doğrudan ilişkili olan bu özellikler yakıt hücrelerinin verim, performans ve kullanım ömrü konusunda belirleyici rol oynamaktadırlar.  Nafion ile ağırlıkça % 3, 5 ve 10 oranlarında değişen NhBN partikülleri, molce % 10 ve % 20 oranlarında değişen FAH ve molce % 10 ve % 20 oranlarında değişen Triazol ile formüle edilen kompozitler üretilerek belirtilen özellikler karakterize edilmiştir. 150°C'de dehidre olmuş durumda proton iletkenliği 0,1 S cm-1 değere ulaşmış normal Nafion numunelere göre yaklaşık 1000 kat daha yüksek iyonik iletkenliğe sahip numuneler mevcuttur. Sonuçlar, fosforik asit, nafion, triazol ve bor nitrür nanopartiküllerin sırası ile barındırdığı dihidrojen fosfat, sülfonik asit, amin ve hidroksil grupları ile arasındaki hidrojen bağlarının oluşmasıyla açıklanabilen proton transferine yüksek katkıda bulunduğunu teyit etmektedir.

Abstract:
There is an accurate correlation between the working performance of Polymer Electrolyte Fuel Cells and the proton conductivity of the membranes used. The hydration of the polymer electrolytes such as Nafion is required to demonstrate high proton conductivity. At the same time, increasing the working temperature offers advantages such as positive kinetics and thermodynamics in the electrodes and ionic conductivity, with the evaluation of the ohmic losses heat and incrasing tolerance to fuel impurities. However, these advantages provided up to 80°C are dramatically lost by dehydration at higher temperatures. In addition, water intake by Nafion results in volumetric growth, reducing the stability of the system and shortening service life.	In this study, morphological, chemical, electrical, mechanical, water and methanol transport properties of Nafion main matrix nanocomposites were investigated which is admixtured with Nano Hexagonal Boron Nitride (NhBN), Phosphoric Acid Hemihydrate (PAH) and Triazole compounds. These properties, which are directly related to the composite structure, play a decisive role in the efficiency, performance and service life of fuel cells. Ternary composite membranes are prepared by mixing Nafion with NhBN particles varied 3, 5 and 10 % weight ratios, PAH varied 10 and 20 % molar ratios and Triazol varied 10 and 20 % molar ratios respectively. Ionic conductivity of some samples are measured 1000 times higher than normal Nafion specimens that have proton conductivity of 0.1 S cm-1 in dehydrated condition at 150°C. The results confirm that phosphoric acid, naphthium, triazole and boron nitride nanoparticles are highly contributing to proton transfer, which can be explained by the formation of hydrogen bonds between the dihydrogen phosphate, sulfonic acid, amine and hydroxyl groups contained respectly.