Yakıt hücrelerinde kullanmak üzere yüksek sıcaklığa dayanıklı kompozit membran sentezi
Synthesis of high temperature resistant membrane for the fuel cells
Yazar: ALPAY ŞAHİN
Danışman: DOÇ. DR. İRFAN AR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2007
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Membranlar = Membranes

Özet:
Membran, Proton Değiştirici Membran Yakıt Hücrelerinin (Polimer ElektrolitMembran Yakıt Hücresi - PEMYH) kalbi olarak kabul edilmektedir. Yakıthücresinin verimli çalışması için membranların bazı özelliklere sahip olmasıgerekmektedir. Bu özellikler; yüksek sıcaklık dayanımı, termal kararlılığının iyiolması, yüksek proton iletkenliği, ucuz olması, inert olması, mekanikdayanımının yüksek olmasıdır.Polimer elektrolit membran olarak günümüzde en yaygın kullanılan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. Polistiren, polivinil alkol bazlı ve farklıkatkılar kullanılarak (Amberlisit, HZSM-5 Si/Al:50, HZSM-5 Si/Al:500, BorikAsit, Boron Fosfat ve Ludox) organik-inorganik kompozit membranlarsentezlenmiştir. Membran sentezinden sonra FT-IR, TGA-DSC, Su tutmakapasitesi, İyon değişim kapasitesi (IEC) ve Elektrokimyasal Empedansölçümleri gibi karakterizasyon deneyleri gerçekleştirilmiştir. Sentezlenenmembranlardan PVA + H3PO4 ve PVA + H2SO4 bazlı membranlar diğerlerinevgöre daha iyi özellikler göstermiştir. En yüksek proton iletkenliği değerleri60°C'de ve %100 nemlilikte 0.1P-L40 (PVA + 0.1M H3PO4 + %40 Ludox) kodlumembrandan ve 90°C'de ve %100 nemlilikte 0,01S-L40 (PVA + 0.01M H2SO4 +%40 Ludox) kodlu membranlardan elde edilmiştir. Bu değerler sırasıyla 3.75mS/cm ve 4,77 mS/cm'dir. 0.1P-L40 membranının termal gravimetrikanalizleri sonucunda 150°C'ye kadar dayanıklı olduğu, 0,01S-L40 kodlumembranında 250°C'ye kadar dayanıklı olduğu bulunmuştur. Ayrıca bumembranların iyon değişim kapasiteleri 6.26 meq/gr ve 5,02 meq/gr'dır.Sentezlenen membranların karakterizasyon deneyleri sonucu belirlenenözellikleri bu membranların polimer elektrolit membranlı yakıt hücrelerindekullanılabileceğini göstermiştir.

Abstract:
Proton Exchange membrane is regarded as the heart of PEM fuel cells. In orderto fuel cell operates efficiently membrane must have some properties such ashigh proton conductivity and mechanical stability, ability to withstand the hightemperatures, low cost, chemically inert and non toxic.The most widely used membranes are perfloro sulphonic acid membranes. Butthese membranes? proton conductivity is low at high temperatures and also theyare very expensive. Because of these reasons alternative membranes areinvestigated. In this work, polystyrene and polyvinyl alcohol based organicinorganiccomposite membranes were synthesized by using different additivessuch as amberlyst, HZSM-5 Si/Al:50, HZSM-5 Si/Al:500, boric acid, boronphosphate and ludox. After membranes were synthesized, somecharacterization test such as; FT-IR, TGA-DSC, capacity of water uptake,capacity of ion exchange (IEC) and electrochemical impedance measurements(EIM) were performed. PVA+H3PO4 and PVA+H2SO4 based membranes showbetter properties. The highest proton conductivity values were obtained for themembranes coded as 0.1P-L40 (PVA + 0.1H3PO4 + 40% Ludox) and 0.01S-L40(PVA + 0.01H2SO4 + 40% Ludox) under the experimental conditions of 60 ºCand 90 ºC respectively at 100% relative humidity. These values are 3.75 mS/cmand 4,77 mS/cm for the 0.1P-L40 and 0.01S-L40 respectively. As a result ofviithermo gravimetric analysis it was found that 0.1P-L40 coded membrane canstable up to 150ºC and 0.01S-L40 coded membrane can withstand the hightemperatures up to 250ºC. Also these membranes? ion exchange capacities weremeasured as 6.26 meq/g and 5,02 meq/g respectively which are higher than thevalue reported for Nafion. The properties those are the results of thecharacterization tests show that synthesized membranes can be used in fuelcells.