PEM yakıt pilleri için hidrofobik yüzey geliştirilmesi
Development of hydrophobic surface for PEM fuel cells
Yazar: HANDE UNGAN
Danışman: DOÇ. DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN YURTCAN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Yakıt pilleri, gelecekte ihtiyaç duyulan enerjinin büyük bölümünü karşılaması düşünülen enerji çevrim araçlarıdır. Yakıt pilleri içerisinde özellikle polimer elektrolit membran (PEM) yakıt pillerinin korozyona dayanıklı oluşu, düşük çalışma sıcaklığı, taşınabilir oluşu ve hareketli uygulamalar için uygunluğu nedeniyle büyük ilgi görmektedir. PEM yakıt pillerinin performansını arttırmada su yönetimi önemli bir rol oynamaktadır. PEM yakıt pillerinde etkin su yönetimi hem membranın yeterince nemli olup iyonların geçişine olanak sağlanması hem de gaz geçiş yollarının aşırı su miktarı yüzünden tıkanmasının önüne geçilmesi için çok önemlidir. Bu nedenle bu çalışmada PEM yakıt pillerinde kullanılmak üzere hidrofobik polimer olan polidimetilsiloksan (PDMS) ve (3-Aminopropyl)triethoxysilane (APTES) polimerleri kullanılarak su taşmalarının önüne geçecek ve kesintiye uğramadan reaksiyonun gerçekleşmesini sağlayacak bir katalizör tabakası çözeltisi hazırlanarak hidrofobik gaz difüzyon tabakaları (GDL) yüzeyleri elde edilmiştir. İki farklı GDL yüzeyine (GDL 34 BC ve GDL 25 BC) bu polimerlerin farklı oranlarda (%5, %10, %20) yüklenmesiyle membran elektrot yapıları (MEA) elde edilmiştir. Hazırlanan yüzeylerin taramalı elektron mikroskopu (SEM), enerji yayılımlı X-ışını analizi (EDX), fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ve temas ölçüm analizleri yapılmıştır. Ayrıca her bir katalizör çözeltisinin elektrokimyasal karakterizasyonu yapılarak elde edilen grafikler yorumlanmıştır. Kullanılan iki farklı GDL yüzeyinden GDL 34 BC'nin PEM yakıt pilleri için kullanımının daha uygun olduğu ve çok daha iyi performans sergilediği gözlenmiştir. PDMS polimeri için %10, APTES polimeri için %5 oranlarını içeren yakıt pilleri en yüksek pil performansını göstermiştir.

Abstract:
Fuel cells are energy conversion devices that are thought to meet the majority of the energy needed in the future. Especially, polymer electrolytic membrane (PEM) fuel cells are of great interest because of their corrosion resistance, low operating temperature, transportability and suitability for mobile applications. Water management plays an important role in improving the performance of PEM fuel cells. Efficient water management in PEM fuel cells is crucial both the membrane is sufficiently humid to allow the transition of ions and the prevention of clogging of the gas passageways due to excessive water. Therefore, in this study, for use in PEM fuel cells, hydrophobic GDL surfaces were obtained by preparing a catalyst layer solution to prevent water flooding and allow the reaction to take place without interruption by using polydimethylsiloxane (PDMS) and (3-Aminopropyl) triethoxysilane (APTES) polymers, which are hydrophobic polymers. Membrane electrode assembly (MEA) structures were obtained by loading these polymers in different ration (5%, 10%, 20%) on two different gas diffusion layer (GDL) surfaces (GDL 34 BC and GDL 25 BC). Scanning Electron Microscope (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), Fourier-transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and contact measurement analyses were performed on the prepared surfaces. In addition, the graphs obtained by electrochemical characterization of each catalyst solution were interpreted. Of the two different GDL surfaces used, it was observed that GDL 34 BC was more suitable to use for PEM fuel cells and performed much better. Fuel cells with ratios of 10% for PDMS polymer and 5% for APTES polymer showed the highest fuel cell performance.