Polimer elektrolit membran  
yakıt hücreleri için polibenzimidazol (pbı) membran  üretimi ve geliştirilmesi
Development and production of polybenzimidazole (pbi) membrane for polymer electrolyte membrane fuel cells
Yazar: ÇAĞLA GÜL TOSUN
Danışman: PROF. DR. HASAN FERDİ GERÇEL
Anadolu Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Son yıllarda enerji üretimi sorununa çözüm olarak görülen en önemli alternatiflerden birisi de enerji taşıyıcısı olan ve yanması sonucu sadece su buharının oluştuğu hidrojendir. Yakıt hücreleri hidrojenden etkin biçimde elektrik enerjisi üretiminde kullanılan cihazlardır. Nafion gibi perflorosülfonik asit bazlı membranlar, polimer elektrolit membran (PEM) yakıt hücrelerinde sıklıkla kullanılmaktadırlar. Ancak Nafion membranların 80 oC'den yüksek sıcaklıklarda proton iletkenliklerinin düşmesi ve pahalı olmaları nedeniyle alternatif membran malzemeleri geliştirmeye yönelik yoğun çalışmalar devam etmektedir. Bu çalışmada, çözelti polimerizasyonu yöntemiyle sentezlenen polibenzimidazol (PBI) polimeri kullanılarak 80oC'den yüksek sıcaklıklarda çalışabilen bir polimer elektrolit membran hazırlanmıştır. Sentezlenen polimerin karakterizasyonu 1H-NMR, FTIR ve TGA yöntemleri ile gerçekleştirilmiştir. TGA analiz sonuçları polimerlerin ısıl kararlılığının yüksek olduğunu göstermiştir(~800oC). PBI membranlar çözelti döküm yöntemiyle hazırlanmıştır. Hazırlanan membranlara fosforik asit yüklemesi gerçekleştirilerek fosforik asit yüklü PBI membranlar üretilmiştir.  Üretilen membranların tek hücre performansları, standart PEM yakıt hücresi test istasyonunda test edilmiştir. Yapılan testlerde en yüksek güç yoğunlukları 63 μm kalınlığındaki membran ile 80oC'de 163,0 mW/cm2 ve 130 μm kalınlığındaki membran ile 90oC'de 119,7 mW/cm2, 100oC'de 118,5 mW/cm2 ve 110oC'de 139 mW/cm2  olarak ölçülmüştür. Bu değerler fosforik asit katkılı PBI membranın yüksek sıcaklıkta çalışan PEM yakıt hücreleri için umut vaat eden bir membran adayı olduğunu göstermiştir. 

Anahtar Kelimeler: Polimer Elektrolit Membran, Yakıt Hücresi, Fosforik Asit     Yüklü Polibenzimidazol Membran, PEM, PBI

Abstract:
Recently one of the most important alternatives to be a solution for energy production is hydrogen which is an energy carrier and only yields water when it is burned. Fuel cells are devices which are utilized to produce electrical energy from hydrogen, efficiently. Perflorosulphonic acid based membranes such as Nafion are used frequently in polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells. However, developing alternative membrane materials oriented intense studies are continued because of decreament in proton conductivity at temperatures higher than 80 oC and high prices of Nafion membranes. In this study, a polymer electrolyte membrane which can work at temperatures higher than 80 oC was prepared using poibenzimidazole (PBI) polymer which was synthesized via solution polymerization method. Characterization of the polymer was carried out by 1H-NMR, FTIR and TGA methods. TGA results showed that polymer has a high thermal stability(~800oC). PBI membranes were prepared via solution casting method. Phosphoric acid doped PBI membranes were produced by doping membranes with phosphoric acid. Single cell performances of the produced membranes were tested in a standart PEM fuel cell test station. The maximum power densities achieved from the tests were 163.0 mW/cm2 at 80°C with the membrane which has a thickness of 63 μm and 119.7 mW/cm2 at 90°C, 118. 5 mW/cm2 at 100°C and 139 mW/cm2 at 110°C with the membrane which has a thickness of 130 μm. These results showed that phosphoric acid doped PBI membranes are promising membrane candidates for high temperature PEM fuel cells.

Keywords:  Polymer Electrolyte Membrane, Fuel Cell, Phosphoric Acid Doped Polybenzimidazole Membrane, PEM, PBI