Protonik iletkenliği yüksek yeni bir polimer elektrolit membranın geliştirilmesi ve uygulaması
Development and application of a new polymer electrolyte membrane with high proton conductivity
Yazar: ELİF ÜNVEREN ERDAL
Danışman: PROF. DR. SERDAR S. ÇELEBİ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, metanolle çalışan yakıt pili için proton iletkenliği ve kimyasal kararlılığıyüksek, metanol geçirgenliği düşük yeni bir polimerik membran geliştirilmesiamaçlanmıştır.Bu amaçla, öncelikle, literatürde ilk defa ticari polieter eter sülfonun kontrollüsülfonasyonu gerçekleştirilmiştir. Farklı koşullarda gerçekleştirilen sülfonasyonreaksiyonu sonunda elde edilen sülfonlu polimerlerin (SPEES) ısıl özelliklerine,viskozitesine ve sülfonasyon derecesine göre optimum sülfonasyon koşullarıbelirlenmiştir. Bu koşullarda üretilen SPEES polimerinden çözücülü dökme yöntemiile proton iletken membranlar hazırlanmış ve karakterize edilmiştir. Farklı sülfonasyonderecelerine sahip membranlar proton iletkenlikleri ve kimyasal kararlılıkları baştaolmak üzere yakıt pili için önem taşıyan özelliklerine göre karşılaştırılmıştır.Çalışmanın sonraki aşamasında, proton iletkenliği yüksek olan SPEESmembranlarının kimyasal kararlılıklarını arttırmak için kimyasal dayanımı yüksekpolimerlerle karışım (blend) membranlar hazırlanmıştır. Farklı ağırlıkça ortalamamolekül ağırlığına sahip poliviniliden florür (PVDF) polimerleri ve poliviniliden florürhekzafloropropilen kopolimeri (PVDF-HFP) ile farklı oranlarda hazırlanan karışımmembranlar karakterize edilmiş ve optimum PVDF molekül ağırlığı ve SPEES/PVDForanı belirlenmiştir.Membranların kimyasal kararlılıklarını arttırmak için başvurulan diğer bir yöntem deasidik sülfonlu polimer (SPEES) ile bazik bir polimeri (polianilin ve polipirol) iyonikolarak çapraz bağlamaktır. Bu yöntemle elde edilen membranlarda her ne kadaristenildiği gibi düşük metanol geçirgenlikleri elde edilse de proton iletkenliklerinde vekimyasal kararlılıklarında önemli oranda azalmalar gözlenmiştir.Sonuç olarak, bu çalışmada hazırlanan optimum özelliklere sahip SPEES/PVDFkarışım tipi polimer elektrolit membran ile doğrudan metanollü yakıt pillerinde(DMYP) ticari olarak kullanılan Nafion 117'den daha yüksek proton iletkenliği ve dahaiidüşük metanol geçirgenliği elde edilmiştir. DMYP performansı ise Nafion 117'yeyakındır ancak Fenton testi ile tayin edilen kimyasal kararlılığı düşüktür.Anahtar Kelimeler: Polieter eter sülfon, poliviniliden florid, proton iletken membran,sülfonasyon, yakıt pili

Abstract:
The purpose of this research is the development of new polymer electrolytemembrane (PEM) having high proton conductivity and chemical stability but lowmethanol permeability for direct methanol PEM fuel cells.Firstly, commercially available polyether eter sulfone was sulfonated at controlledconditions for the first time in literature. Optimum sulfonation conditions weredetermined by comparing thermal properties, intrinsic viscosities and degree ofsulfonation (DS) of sulfonated polymers (SPEES) obtained by sulfonation at variousexperimental conditions. Proton exchange membranes from SPEES polymersulfonated in optimum conditions were prepared by solvent-casting method andcharacterized. Membranes having different DS values were compared to each otherin the aspect of their important properties in fuel cells such as proton conductivity andchemical stability.In first step, blend membranes were prepared by using various polymers with highself chemical stability in order to increase the chemical stabilities of SPEESmembranes having high proton conductivity. Blend membranes based on SPEESwith polyvinylidene floride (PVDF) at different molecular weights and its copolymerwith hexa fluoropropylene (PVDF-co-HFP) were prepared and characterized. Thus,the optimum molecular weight of PVDF and its optimum mass ratio in blendmembrane were determined.The other way for increasing chemical stability of proton exchange membrane is theionic-crosslinkage of acidic sulfonated polymer (SPEES) with a basic polymer suchas polyaniline and polypyrrole. In the membranes prepared by this method, lowmethanol permeability at desired level was obtained but it was observed significantlydecreases in proton conductivity and also in chemical stability.As the result of this study, polymer electrolyte membrane with blend type ofSPEES/PVDF prepared in optimum conditions has higher proton conductivity thanNafion 117 which is commercially used in direct methanol fuel cell (DMFC) and alsoiimethanol permeability is considerably lower than that of Nafion 117. Theperformance of developed membrane in DMFC is also as well as that of Nafion butits chemical stability determined by Fenton test is low.Keywords: Fuel cell, polyether ether sulfone, polyvinylidene florid, proton exchangemembrane, sulfonation.