Yakıt hücrelerinde kullanmak üzere nanokompozit membran sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of nano composite membrane for the fuel cells
Yazar: ALPAY ŞAHİN
Danışman: PROF. DR. İRFAN AR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Membranlar = Membranes ; Polivinil alkol = Polyvinyl alcohol ; Proton değişimi = Proton exchange

Özet:
Yakıt hücreleri, kullanılan elektrolit malzeme çeşidine göre; alkali yakıt hücreleri, proton değişim membranlı yakıt hücreleri (PDMYH), doğrudan metanol yakıt hücreleri, fosforik asit yakıt hücreleri, katı oksit yakıt hücreleri ve erimiş karbonat yakıt hücreleri şeklinde sınıflandırılabilirler. PDMYH, sessiz çalışması, saf suyun dışında herhangi bir atık oluşturmaması, maliyetinin yüksek olmaması ve yüksek verimle çalışması ve çalışma koşullarındaki değişikliklere kolay adapte edilebilmesi nedenleriyle en çok ilgi çeken yakıt hücresidir. PDMYH'nin en önemli elemanı membrandır.Şu an ticari olarak kullanılan PDMYH'de, yaygın olarak Nafyon membran kullanılmaktadır. Nafyon membranın kimyasal ve mekanik özellikleri ile proton iletkenliği değerleri oldukça iyi olmasına rağmen, pahalı olması ve 90 °C'den daha yüksek sıcaklıklarda suyun buharlaşması nedeniyle proton iletkenliğinin azalmasından dolayı alternatif membran arayışları kaçınılmaz olmuştur.Bu çalışmada ilk önce membran ana yapısı, sentez yöntemi ve katkı maddeleri belirlenmiş, daha sonra membran sentezi ve karakterizasyon deneyleri gerçekleştirilmiş ve son olarak da yakıt hücresi performans testleri yapılmıştır. Membran ana yapısı için öncelikli olarak 3 farklı polimerin (Polivinil alkol, Chitosan ve Teflon) bir kombinasyonu öngörülmüş ancak daha sonra yapılan çalışmalar sonucunda ana yapının Polivinil alkol-Formaldehit?Hipofosforöz asit kombinasyonundan oluşturulmasına karar verilmiştir. Membran sentez yöntemi olarak literatürde sıklıkla kullanılan klasik sol-jel yöntemi ve bu çalışma kapsamında geliştirilen asit içinde polimerin çözülmesi yöntemiyle polivinil alkol bazlı ve farklı oranlarda (%5, %10, %15, %20, %25, %30, %40) farklı katkılar (TEOS, LUDOX ve TiO2) içeren organik-inorganik nanokompozit membranlar sentezlenmiştir. Membran sentezinden sonra FT-IR analizleri, su tutma kapasitesi değerleri, şişme kapasitesi değerleri, iyon değişim kapasitesi değerleri (IEC), TGA-DSC analizleri, fenton testi, damla testi ve elektrokimyasal empedans ölçümleri (EIS) gibi karakterizasyon deneyleri gerçekleştirilmiştir. Karakterizasyon deneylerinden sonra sentezlenen membranların yakıt hücresi performans testleri yapılmış ve performans analizleri incelenmiştir.Karakterizasyon deneyleri ve performans analizleri sonucunda doktora çalışmasında geliştirilen asit içinde polimerin çözülmesi yöntemi ile sentezlenen membranların klasik sol-jel yöntemi ile sentezlenen membranlara göre daha iyi özelliklere sahip olduğu görülmüştür. Makro boyutta SiO2 içeren LUDOX katkılı membranlar ve nano boyutta SiO2 taneleri içeren TEOS katkılı membranlara göre nano boyutta TiO2 katkılı membranlar daha iyi sonuçlar vermiştir. %15 Titanyum dioksit katkılı membranlardan en iyi sonuçlar elde edilmiştir. Bu membran 0,03 S/cm proton iletkenliğine, 1,04 meq/gr iyon değişim kapasitesi değerine ve %45 su tutma kapasitesine sahiptir ve diğer özellikleri ile de ön plana çıkarak yakıt hücresinde kullanılabilirliği açısından umut vermiştir.Anahtar Kelimeler : PEM, PEMYH, membran karakterizasyonu, polisitiren bazlı membran, polivinil alkol bazlı membran

Abstract:
Fuel cells can be classified according to their electrolyte material as alkaline fuel cells, proton exchange membrane fuel cells (PEMFC), direct methanol fuel cells, phosphoric acid fuel cells, solid oxide fuel cells and molten carbonate fuel cells. PEMFC is the most attractive type of fuel cell due to its silent running, not having a residue other than pure water, low cost and high efficiency. The most important part of the PEMFC is its membrane.Currently, Nafion is the most widely used membrane in commercial PEMFC?s. Although chemical, mechanical, proton conductivity and similar properties of Nafion are good, it is expensive and its proton conductivity decreases at temperatures higher than 90 °C due to the evaporation of its water content. Therefore, seeking alternative membranes is inevitable.In this doctoral study, firstly the main structure of the membrane, method of synthesis and additive agents are specified. After that, synthesis and characterization experiments and finally fuel cell performance tests were carried out. Although, initially it is proposed to synthesize membrane by using a combination of three different polymers, namely polyvinyl alcohol, chitosan and Teflon, depending on the results of the subsequent studies it was decided to use polyvinyl alcohol-formaldehyde-hypophosphorous acid combination. Polyvinyl alcohol based membranes containing different additives (TEOS, LUDOX and TiO2) in different ratios (5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 40%) were synthesized by using conventional sol-gel method that used frequently in literature, and modified sol-gel method which is developed in this study. After synthesis of membranes, characterization experiments such as FT-IR analyses, water-holding capacity, swelling, ion exchange capacity (IEC), TGA-DSC analyses, fenton test, hydrophilicity test and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) were performed. Afterwards, the fuel cell performance tests of these synthesized membranes were done and the performance analyses were studied.As a result of characterization experiments and performance tests, it was obviously seen that the properties of membranes synthesized by using modified sol-gel method developed in this study, was better than the membranes synthesized by using conventional sol-gel method. Results obtained by using the membranes containing nano-sized TiO2 as additive were better than the results obtained by using both nano sized SiO2 (LUDOX) and macro-sized SiO2 (TEOS) containing membranes. The best results were obtained with membranes having 15% titanium dioxide. This membrane has a proton conductivity of 0.03 S/cm, ion exchange capacity value of 1.04 meq/g and 45% water holding capacity and with many other properties, it come into prominence making itself promising for the usage in fuel cells.Key Words : PEM, PEMFC, membrane characterization, polystyrene based membrane, polyvinyl alcohol based membrane