Doğal malzeme katkılı kompozit membran sentezi
Synthesis of natural material added composite membrane
Yazar: MURAT SAVAŞLI
Danışman: PROF. DR. İRFAN AR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada PEM yakıt hücrelerinin en önemli bileşenlerinden biri olan membran için ticari membranlara alternatif olabilecek ucuz, yüksek proton iletkenliğine sahip, kimyasal ve mekanik dayanıklılığı yüksek membran sentezi amaçlanmıştır. Belirtilen özellikleri sağlamak için polyvinil klorür bazlı membran seçilmiştir. PVC membranlar, argon ve oksijen plasma ortamı altında, elektron bombardımanına maruz bırakılarak aktif gruplar olan sülfonik asit ve fosfonik asit grupların bağlanması sağlanmıştır. Argon ile oksijen plasma ortamlarının iletkenlik ve su tutma kapasitesine etkisi incelenmiştir. En yüksek proton iletkenliğine sahip olan membranın; oksijen plasması ortamında tutulduktan sonra sülfolanan membranlar olduğu ve oda sıcaklığında 0,02 S/cm proton iletkenliğine, %3,9 su tutma kapasitesine sahip olduğu gözlenmiştir. Plazma işlemiyle, membrana yüzey modifikasyonu yapılmıştır ancak membran içinde su tutma özelliğine sahip alanlar oluşturulmamıştır. Bu nedenle membranın su tutma kapasitesini ve dolaylı olarak proton iletkenliğini arttırmak için katkı maddesi olarak farklı oranlarda agar kullanılmıştır. Sentezlenen membranlarda su tutma, şişme, empedans analizi, FT-IR analizi, mekanik dayanıklılık analizi ve tek hücre performans testi yapılmıştır. Agar katkısının membranın su tutma kapasitesini arttırsa da difüzyon direncini de arttırması dolayısıyla proton iletkenliğini düşürdüğü gözlenmiştir. Ayrıca agar katkısı ile mekanik dayanıklılık azalmıştır. Plazma aşılama ile başarılı şekilde membranlar oluşturulsa da agar katkısının membran üzerindeki etkilerinin olumsuz olduğu gözlenmiştir.

Abstract:
In PEM fuel cells, membrane is one of the most important components. In this study, it is aimed to synthesize a membrane which has a high chemical and mechanical resistance, a high proton conductivity, a low price and can compete against commercial membranes. In order to meet the given specifications, polyvinyl chloride-based membranes chosen. PVC membranes were exposed an electron bombardment with argon or oxygen plasmas for grafting sulphuric acid and phosphoric acid functional groups. Effect of the plasma used for grafting on the proton conductivity and water uptake was investigated. Membrane with the highest proton conductivity was oxygen plasma induced sulfonation membranes and that membranes has 0.02 S/cm proton conductivity and 3.9% water uptake. With the plasma grafting, only membrane surface was modified but it was not aimed to form sites available for water uptake inside the membrane. So; agar, which is a very hydrophilic material, used for improved water uptake and indirectly improve proton conductivity. Characterization of synthesized membranes were carried out by applying water uptake, swelling, proton conductivity, FT-IR analysis, mechanical stability analysis and single cell performance test. Membranes with agar additives had a high-water uptake values but it increased the diffusion resistance, so the proton conductivity reduced. Also, agar decreased the mechanical stability of the membrane. To sum up, agar additives in membrane had negative impact but plasma grafting was successful and can be used for proton exchange membranes.