Polimer elektrolit membranlı yakıt pili uygulamaları için poli(arilen eter) esaslı membranların hazırlanması
Preparation of poly(arylene ether) based polymer electrolyte membranes for fuel cell applications
Yazar: MERVE GÜRTEKİN SEDEN
Danışman: PROF. DR. NİLHAN KAYAMAN APOHAN ; DOÇ. DR. TÜLAY İNAN
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Organik Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Kimya = Chemistry ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Yakıt hücreleri = Fuel cells ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Proton yerdeğiştirme membran yakıt pilleri hidrojen ve oksijenin elektrokimyasal reaksiyonu sırasında açığa çıkan kimyasal enerjiyi, elektrik enerjisine çevirir. En yaygın kullanılan membran DuPont® tarafından üretilen Nafion®' dur. Nafion® mükemmel kimyasal ve mekanik kararlılığa ve yüksek proton iletkenliğine sahip olmasına rağmen, yüksek maliyeti ve yüksek metanol geçirgenliği endüstride uygulamasını kısıtlayarak dezavantaj oluşturmaktadır. Bu nedenle yüksek performanslı düşük maaliyetli nanokompozit membranların alternatif malzeme olarak gerçekleştirilmesi fazlasıyla önemlidir.Bilindiği gibi nanokompozitlerin özelliklerini, klasik kompozitlerden ayıran özellik, artan yüzey alanı ve buna bağlı olarak yüzeyler arası etkileşimin artması ve nanoparçacıkların bulundukları ortamda gerçek kimyasal bağa yakın özellik göstermesi olarak özetlenebilir. Organik-inorganik nanokompozitler sol-jel tekniği ile çapraz bağlı inorganik yapının, genellikle kovalent bağlarla organik yapıya bağlanması ile sentezlenmektedirler. Böylece, organik ve inorganik hibrid malzemeler, organik polimerlerin esneklik, düşük yoğunluk ve inorganik malzemelerin çizilme dayanımı, sertlik ve termal kararlılık özelliklerini bir araya toplamaktadır. Ayrıca, bu yöntemle yukarıdaki özelliklere ilave olarak yüksek proton iletkenliğine, düşük gaz geçirgenliğine sahip ve optik özellikleri iyileştirilmiş malzemelerin hazırlanabilmesi de mümkün olmaktadır.Polimer elektrolit membran yakıt hücreleri (PEMFC), işletimlerinin kolay olması, yüksek enerji yoğunlukları, verimlerinin içten yanmalı motorlara göre çok yüksek olması ve zararlı emisyonlarının olmaması nedeniyle en fazla umut vaat eden güç kaynağı adayıdır. PEMFC'nin kalbini proton değiştirici membran oluşturmaktadır. Günümüzde elektrolit olarak kullanımı en yaygın olan membranlar perfluoro sülfonik asit membranlardır. Ancak bu membranların yüksek sıcaklıkta proton iletkenliği düşüktür ve çok pahalıdır. Bu nedenle çalışmalar alternatif membranlar arayışı üzerine yoğunlaşmıştır. Bu çalışmada Nafion® içerikli membrana göre daha iyi fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip, hem organik hem de inorganik yapıyı bir arada bulunduran kompozit membran sentezi amaçlanmıştır.Bu çalışmada, metanolle çalışan yakıt pili için proton iletkenliği ve kimyasal kararlılığı yüksek, metanol geçirgenliği düşük yeni bir polimerik membran geliştirilmesi hedeflenmiştir. Tezin amacı; fosfin oksit ve perflorobifenil içerikli sülfolanmış poli(arilen eter) esaslı hibrit membranların hazırlanmasıdır. Sentezlenen membranlar su tutma kapasitesi, kalınlık ölçümleri, taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizleri, infrared spektrofotometresi (FT-IR), iyon değiştirme kapasitesi (IEC) ve termalgravimetrik analizi (TGA) gibi karakterizasyon testleri yapılmıştır.

Abstract:
A proton exchange membrane fuel cell transforms the chemical energy liberated during the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen to electrical energy. The most commonly used membrane is Nafion® by Du Pont®. Although Nafion® has excellent chemical and mechanical stability and high proton conductivity, it has some disadvantages that restrict its industrial applications such as high cost and high methanol permeability. Therefore, lower cost nanocomposite membranes with high performance are strongly desired as alternative materials.Nanocomposite?s properties appear to be quite different from those of the conventional composites mainly due to nanometer size of the mixed phases that dramatically increases the surface area available for interaction between phases. A typical organic-inorganic hybrid nanocomposite contains a crosslinked inorganic phase bound (often covalently) with an organic phase. Thus, organic-inorganic hybrids have combined properties of organic polymers (flexibility and low density) and inorganic materials (resistance to scratching, hardness and thermal stability) and also acquire some special properties like higher reinforcement, optical transparency, lower gas permeability and higher proton conductivity. The typical preparation method for the organic-inorganic nanocomposites is the so-called sol-gel technique.Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC) are the most promising energy source candidate due to their excellent properties such as ease of their operation and maintenance, having high energy density, having higher efficiency than the internal combustion engines and their non-toxic emission. Proton exchange membrane is regarded as the heart of the PEMFC. Today, perfluoro sulfonic acid membranes are the most widely used membranes. However proton conductivity of these membranes is very small at high temperatures and they are very expensive. Therefore studies have been focused on the investigation of alternative membranes. In this study, it is aimed to synthesize an organic-inorganic composite membrane that has better properties than the Nafion® membrane.The purpose of this research is the development of new polymer electrolyte membrane (PEM) having high proton conductivity and chemical stability but low methanol permeability for direct methanol PEM fuel cells. This thesis aims to synthesize hybrid membranes based on sulfonated poly (arylene ether) containing phosphine oxide and perflorobiphenyl by using sol-gel method. Also these membranes were subject to the characterization experiments such as, determination of water uptake capacity and ion exchange capacity, thickness measurements, scanning electron microscope (SEM), FT-IR and thermorgravimetric analysis (TGA).