Pem yakıt pillerinde su yönetiminin iyileştirilmesi için hidrofobik malzeme geliştirilmesi
Development of hydrophobi̇c material for improvement of water management in pem fuel cells
Yazar: AYŞENUR ÖZTÜRK
Danışman: DOÇ. DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN YURTCAN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Polimer elektrolit membran (PEM) yakıt pilleri, artan enerji ihtiyacının karşılanması için, alternatif bir enerji kaynağı olarak son yıllarda oldukça ilgi görmektedir. PEM yakıt pillerinin günlük hayatta kullanıma geçirilmesi için bu yakıt pili türünde geliştirilmesi gereken bazı önemli noktalar bulunmaktadır. PEM yakıt pillerinin ticarileşmesinin önündeki en büyük engellerden biri, etkin su yönetiminin sağlanamamış olmasıdır. Pil içerisindeki su miktarı, yakıt pili performansını ve dayanımını doğrudan etkileyen önemli bir parametredir. Hem membranın nemli kalmasını sağlamak hem de taşma olayının meydana gelmesini önlemek, pil içinde hassas bir su dengesinin kurulmasını gerektirmektedir. PEM yakıt pili içerisinde su yönetimini kolaylaştırmak ve iyileştirmek adına, mikro gözenekli katman (MPL) işlevi görecek hidrofobik yüzey geliştirmek bu tez çalışmasının temel amacı olmuştur. Yüzeyin hidrofobikliğini sağlamak için politetrafloroetilen (PTFE), florlanmış etilen propilen (FEP) ve polidimetilsiloksan (PDMS) polimerleri kullanılmıştır. Geleneksel polimerlerden farklı olarak, PDMS polimerinin MPL yapımı için kullanılması, çalışmanın özgün yanını oluşturmaktadır. Ayrıca çalışma kapsamında, PDMS ile yapılan MPL'ler için farklı parametrelerin etkisi de incelenmiştir. Değişik nemlendirme sıcaklıkları altında, hazırlanan MPL tabakalarının bulunduğu pillerin performansları ölçülmüştür. MPL yüzeyleri için fizikokimyasal ve elektrokimyasal karakterizasyonlar yapılmıştır. Temas açısı ölçümleri, hazırlanan MPL yüzeylerinin hidrofobik özellik gösterdiğini kanıtlamıştır. Yakıt pili bileşenlerinin dizaynı için, PDMS polimerinin yüksek hidrofobik karakterinden ötürü, avantajlı bir malzeme olarak kullanılabileceği görülmüştür. PDMS polimeri, MPL tabakasında düşük miktarlarda kullanılmasına rağmen, pil performansında önemli ölçüde artış sağlamıştır. Düşük molekül ağırlıklı PDMS (236,53 g/mol) polimerini MPL tabakası içinde bulunduran piller en iyi performans sonuçlarını vermiştir.

Abstract:
PEM fuel cells have received considerable attention in recent years to meet the rising energy demand as an alternative energy source. There are some significant points that need to be developed in PEM fuel cells for their implementations in daily life. One of the biggest obstacles to the commercialization of PEM fuel cell is the lack of enabling effective water management. The amount of water in the cell is an important parameter that directly affects fuel cell performance and durability. Both maintaining moistness of membrane and preventing the occurrence of flooding phenomena requires the establishment of a delicate water balance in the cell. The main object of this study is development of hydrophobic surfaces that serve as micro porous layers (MPL) in order to facilitate and improve water management in PEM fuel cell. Polytetraflouroethylene (PTFE), fluorinated ethylene propylene (FEP) and polydimethylsiloxane (PDMS) polymers were used to ensure the surface hydrophobicity. Unlike conventional polymers, using PDMS polymer for the construction of MPL forms the unique aspect of the study. Additionally, effect of different parameters for the MPLs that were made with PDMS were also examined in the scope of study. Performances of the cells that contain prepared MPL layers were measured under different humidification temperatures. Physicochemical and electrochemical characterizations were performed for MPL surfaces. Contact angle measurements proved that prepared MPL surfaces show hydrophobic property. It was seen that PDMS polymer can be used as a favorable material for design of fuel cell components due to the its high hydrophobic characteristic. Despite the use of small amounts in MPL layer, PDMS polymer has led to significant increase in fuel cell performance. The cells that contain low molecular weight PDMS (236,53 g/mole) in their MPL layers, yield the best performance results.