Development of organic-inorganic composite membranes for fuel cell applications
Yakıt pili uygulamaları için organik-inorganik kompozit membran geliştirilmesi
- Tez No: 201886
- Danışmanlar: PROF. DR. NURCAN BAÇ, PROF. DR. HAYRETTİN YÜCEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Kimya Mühendisliği, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Energy, Chemical Engineering, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: PEM Fuel Cells, Organic-inorganic composite membranes, Sulfonated Aromatic Hydrocarbon Membranes, Blend membranes
- Yıl: 2007
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 134
Özet
Hidrojen yüksek enerji yoğunluğu ve sürdürülebilir olması nedeniyle 21. yüzyılın en olası enerji taşıyıcısı olarak görülmektedir. Hidrojenin içerdiği kimyasal enerji, yakıt pili adı verilen elektrokimyasal araçlar vasıtasıyla doğrudan elektiriğe dönüştürülebilir. Proton değişim membranlı yakıt pilleri (PEMFC), hızlı ve kolay başlatılmalarına olanak veren düşük çalışma sıcaklıkları ve yük değişikliklerine verdikleri hızlı tepkiler nedeniyle en çok tercih edilen yakıt pili çeşididir. PEMFCnin en önemli parçalarından biri proton iletken membrandır. Günümüz zar teknolojisi en yaygın kullanılanı Nafyon olmak üzere, perflorosulfonik asit bazlı membranlara dayanmaktadır. Bu membranlar iyi ısıl, kimyasal ve mekanik dayanıklılık, yüksek proton iletkenlikleri ve yakıt pili performanslarına sahip olmalarına rağmen, yüksek sıcaklıkta ve düşük nemde hızla kururlar ve yakıt pili performansları düşer. Bunun yanısıra, bu membranların yüksek üretim maliyetleri, PEM yakıt pillerinin yakın bir gelecekte yaygın üretime geçilmesini kısıtlamaktadır. Bu çalışmanın amacı yeterli ısıl, kimyasal ve mekanik dayanıklılıkta Nafyon membranlarla karşılaştırılabilir proton iletkenlikleri, yakıt pili performansı ve daha düşük üretim maliyetleri olan alternatif PEM yakıt pili membranları geliştirmektir. Bu amaçla, organik-inorganik kompozit ve karışım membranlar geliştirilmiştir. Ucuz ve kolay bulunabilen bir polimer olan, polieter eter keton, (PEEK), polimeri yüksek ısıl ve mekanik dayanımı ve iyileştirilebilir proton iletkenliği nedeniyle membran matrisi olarak seçilmiştir. SPEEK membranın proton iletkenliği 60°C'de 0.06 S/cm'dir ve bu iletkenlik inorganik dolgu malzemesi olan zeolite beta kristallerin eklenmesi sonucu 0.13 S/cm'e kadar yükselmiştir. %25 SPES içeren SPEEK karışım membranın 90°C'deki iletkenliği ise 0.08 S/cm'dir. 1 atm 80°C'de yapılan H2/O2 PEM yakıt pili performans testlerinde SPEEK membranının 0.6 V'da 397 mA/cm2 akım verdiği görülmüştür bu değer aynı şartlarda 660 mA/cm2 akım veren Nafyon 112 membranla karşılaştırıldığında umut vericidir. Ticari olarak kullanılabilır alternatif membran hedefine ulaşıldığı için bu sonuçlar memnuniyet vericidir. Anahtar Kelimeler : PEM Yakıt Pilleri, organik-inorganik kompozit membranlar, sülfonlanmış aromatik hidrokarbon membranlar, karışım membranlar
Özet (Çeviri)
Hydrogen is considered to be the most promising energy carrier of the 21st century due to its high energy density and sustainability. The chemical energy of hydrogen can be directly converted into electricity by means of electrochemical devices called fuel cells. Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) are the most preferred type of fuel cells due to their low operating temperatures enabling fast and easy start-ups and quick responses to load changes. One of the most important components of a PEMFC is the proton conducting membrane. The current membrane technology is based on perfluorosulfonic acid membranes and the most common one being Nafion. Although these membranes have good thermal and chemical stability, mechanical strength and high proton conductivities, they tend to dehydrate very fast at high temperatures and low relative humidity leading to poor fuel cell performances. Moreover, the high manufacturing cost of these membranes limits the mass-production of PEMFC?s in near future. The aim of this study is to develop alternative PEMFC membranes that have sufficient thermal and chemical stability, mechanical strength and comparable proton conductivity and fuel cell performances with Nafion membranes at relatively low cost. In this context, organic-inorganic composite membranes and blends were developed. A relatively cheap and commercially available polymer, polyether ether ketone, (PEEK), was chosen as the membrane matrix for its high thermal and mechanical stability and improvable proton conductivity via post-sulfonation. The proton conductivity of SPEEK membrane (at DS 68%) was 0.06 S/cm at 60°C, and this conductivity was further increased to 0.13 S/cm with the introduction of zeolite beta crystals as inorganic fillers. The conductivity of a SPEEK blend (25wt% SPES-75wt% SPEEK) membrane was 0.08 S/cm at 90°C. In PEMFC performance tests, 397 mA/cm2 was obtained for SPEEK membrane (DS 56%) at 0.6V for a H2/O2 PEMFC working at 1 atm and 80°C. This result is promising when compared to the performance of Nafion 112® of 660mA/cm2 under same conditions. These results are welcomed since the target for commercially viable alternate membranes are reached.
Benzer Tezler
- 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
MERVE GÜRTEKİN SEDEN
Doktora
Türkçe
2013
KimyaMarmara ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLHAN KAYAMAN APOHAN
DOÇ. DR. TÜLAY İNAN
- The production of polymer/nanocomposite proton conducting membranes for polymer electrolyte membrane fuel cell (pemfc) applications
Proton iletken membran yakıt hücreleri uygulamarı için proton iletken polimer/nanokompozit membranların üretilmesi
AYŞE ASLAN
- İnorganik/organik hibrit proton değişim membranlarının doğrudan metanol yakıt hücreleri (DMYH) için geliştirilmesi
Development of inorganic/organic hybride proton exchange membranes for direct methanol fuel cells (DMFC)
MERT GÜLCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Kimya Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜSEYİN DELİGÖZ
- Development of interlayer based thin-film nanofibrous composite membranes adjusted by functionalized carbon nanotubes for effectual water purification
Etkili su arıtma için fonksiyonelleştirilmiş karbon nanotüplerle ayarlanan iç tabaka bazlı ince film nanolifli kompozit membranların geliştirilmesi
SEYEDEHNEGAR ARABI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİHTER ZEYTUNCU GÖKOĞLU
DOÇ. DR. HÜLYA CEBECİ
- İkili sıvı karışımların pervaporasyonla ayrılmasına yönelik zeolit dolgulu sodyum aljinat kompozit membranların geliştirilmesi
The development of zeolite-filled sodium alginate composite membranes for pervaporation separation of binary liquid mixtures
TUĞÇE SAKA
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Kimya MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YAVUZ SALT