Doğrudan sodyum borhidrür yakıt pilleri için katyon değişim membranları geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of cation exchange membranes for direct sodium borohydride fuel cell
Yazar: KÜRŞAT CAN ATA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMİZ GÜLTEKİN AKAY
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Günümüzde, Doğrudan Sodyum Borhidrür Yakıt Pili'nde katyon değişim membranı olarak, araştırma çalışmalarında endüstri standardı olan florlu membranlar (Nafion ®) kullanılmaktadır. Ancak yüksek maliyeti sebebiyle alternatif membranlara yönelim olmuştur. Mühendislik alanında en bilinen polimerlerden olan polieter-eter-keton (PEEK) ve polibenzimidazol (PBI), üzerinde çalışılmak üzere seçilmiştir. PEEK, oda sıcaklığında farklı sürelerde post-sülfonasyon işlemi ile foksiyonel hale getirilip çalışmalar yapılmıştır. PBI ile hazırlanan membranların ise iletkenliğinin düşük ancak mekanik ve termal direncinin yüksek olduğu gözlemlenmiştir. PBI'ın bu özellikleri göz önünde bulundurarak hazırlanan PBI-SPEEK harman membranların, saf hale bulunan hallerine göre çeşitli avantajlar ve dezavantajlar oluşturduğu tespit edilmiştir. Hazırlanan membranların mekanik ve termal testleri, yakıt geçirgenliği ölçümleri, iyon değişim kapasiteleri ve su tutma kapasiteleri ölçülmüş ve DSBYP için kullanılabilirliği incelenmiştir. Oda koşullarında sülfonlamanın, PEEK'in standartlara göre daha yüksek sülfonlanma derecelerine çıkabildiğini göstermiştir. PBI ile hazırlanan harman membranların ise mekanik ve termal olarak saf SPEEK membranlara olumlu özellikler kattığı ve SPEEK'i alkali koşullara daha dirençli hale getirebildiği tespit edilmiştir. Ancak PBI'ın düşük iletkenliği ve yüksek yakıt geçirgenliği olması sebebiyle, belirli bir orana kadar PBI'ın SPEEK ile harman membran yapılabileceği tespit edilmiştir. Yapılan çalışmalardan sonra, uygun koşullarla ve malzemelerle geliştirilen membranların iyonik iletkenliği ve fiziksel dayanım özellikleri en iyileştirildiğinde yeni ve yüksek performanslı DSBYP membranları oluşturulabileceği tespit edilmiştir.

Abstract:
Today, flourinated membranes like Nafion ®, an industry standard used in direct sodium borohydride fuel cells (DBFC) for research studies as cation exchange membrane (CEM). But due its high cost, there is a lean towards alternative membranes. On this point, aromatic hydrocarbon based polymer used in non-flourine proton exchange membranes show promise. Some of the most known polymers in engineering such as PEEK and PBI were chose as research topics. PEEK were functionalized by post-sulfonation in room temperature at different duration times. Sulfonated PEEK were characterized and it was seen that the ionic conductivity was increased as the sulfonation time increased. PBI-SPEEK mix membrane samples prepared as the properties of the PBI were inspected. The samples had advantages and disadvantages compared to the pure forms. The mechanical and thermal tests, fuel exchange, ion exchange and water uptake capacities were calculated and the utilization level were inspected using DBFC. It was determined that sulfonation levels at room conditions were able to reach higher levels than the standart PEEK sulfonation levels. Membranes prepared with PBI had positive properties and resistance to alkaline conditions better than mechanically and thermally pure PEEK. But because PBI has high fuel exchange and low conductivity, only a limited amound of PBI could be mixed into membranes with the SPEEK. After research and characterization profiles were established, membranes developed with suitable material and at optimal conditions, membranes could have better ionic conductivity, mechanical properties and chemical resistance and a high performance DBFC membrane could be developed.