Synthesis of proton exchange membrane by atrp and iniferter methods
Atrp ve iniferter yolu ile iyonik iletkenliğe sahip polimer sentezi
- Tez No: 332924
- Danışmanlar: PROF. DR. METİN HAYRİ ACAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 100
Özet
1950'li yıllarda General Electric tarafından bulunan PEM teknolojisi, o yıllarda ilk defa NASA tarafından Gemini uzay aracında güç ünitesi olarak kullanılmıştır. Günümüzde PEM yakıt pilleri otomotiv sektöründe içten yanmalı motorlara alternatif olarak geliştirilmekte ve kullanılmaktadır.Proton değişim membran yakıt hücreleri, özellikle yüksek performanslı polimerlerin bulunmasından sonra; uzay çalışmalarında ve özel askeri sistemlerde uygulanmak amacıyla geliştirilmiştir. Günümüz teknolojisi ile hertürlü güç gereksiniminin olduğu yerlerde kullanılmakta ve yaygınlaşnmaktadır. Proton değişim membran yakıt hücreleri düşük çalışma sıcaklığında yüksek verim elde edilmesi, sessiz çalışması ve saf suyun dışında herhangi bir atık ortaya çıkarmamasından dolayı en çok ilgi çeken yakıt hücresi türüdür.PEM yakıt hücrelerinin temel bileşeni anot ve katot olmak üzere iki tane elektrot içerir. Bunlar birbirlerinden polimer membran elektrolit ile ayrılmışlardır. Her iki elektrot bir kenarlarından ince platin katalizör tabakası ile örtülmüştür. Yakıt olarak kullanılan hidrojen yakıt hücresinin anot kenarından beslenir. Anotta platin katalizör varlığında serbest elektronlar ve protonlara ayrışır. Serbest elektronlar dış çevrimde kullanılırlar ve elektrik akımını oluştururlar. Protonlar polimer membran elektroliti geçerek katota doğru hareket ederler, katotta havadan gelen oksijen dış çevrimden gelen elektronlar ve protonlar saf su ve ısı oluşturmak üzere birleşirler. Tek bir yakıt hücresi yaklaşık 0,6 volt güç üretir, istenilen elektriksel güç miktarını karşılamak için yakıt hücreleri birleştirilirler.PEM yakıt pillerinde, elektrotlar karbon yapılı olup, kullanılan elektrolit ise ince bir polimer membrandır. En çok kullanılan membran, poli[perflorosülfonik] asit veya Nafyon'dur. Bu ince polimer tabakadan protonlar kolayca diğer tarafa geçebilirken, elektronların geçişi mümkün değildir. Hidrojen anot üzerine akarken, elektrot yüzeyinde hidrojen iyonlarına (proton) ve elektronlarına ayrılır. Oluşan hidrojen iyonları ince membrandan katoda doğru ilerlerken, geçişi engellenen elektrotlar dış devreden geçerek güç oluştururlar.Havadan sağlanan oksijen katot üzerinde hidrojen iyonları ve dış devreden gelen elektronlar ile birleşerek suyun oluşmasını sağlar. PEM yakıt pili elektrotları üzerinde gerçekleşen reaksiyonlar aşağıdaki gibidir;H2 (g) ? 2H+ + 2e- anot tepkimesi2H+ + 2e- + 1/2O2 ? H2O katot tepkimesiPEM yakıt pilleri 80°C sıcaklıkta çalıştıklarından ve bu sıcaklık, gerçekleşen elektrokimyasal reaksiyonlar için düşük olduğundan elektrotlar ince platin tabakaları ile desteklenmektedirler. PEM yakıt pillerinin otomotiv sektöründe kullanımını sağlayan önemli avantajları vardır. Bu avantajlar; küçük boyutta uygulanabilirlikleri, düşük sıcaklıklarda çalışmalarına rağmen bu sıcaklıklardan kolayca yüksek güç üretimine geçebilmeleridir. Bunların yanında, yüksek verimde çalışmaları, % 40-50 seviyesinde maksimum teorik voltaj üretebilmeleri ve güç ihtiyacındaki değişikliklere hızlı cevap verebilmeleri de PEM yakıt pillerini tercih edilir konuma getirmektedir.Proton değişim membran yakıt hücrelerinin en önemli elemanı proton iletim özelliğine sahip polimerik membrandır. Yakıt hücreleriyle ilgili yapılan çalışmaların başında polimerik membranların geliştirilmesi ile ilgili olan çalışmalar yer almaktadır. Günümüzde ticari olarak kullanılan membranların çeşitliliğinin az ve fiyatlarının yüksek olmasından dolayı alternatif membranların geliştirilmesi ile ilgili çalışmalar oldukça hızlanmıştır. Proton değişim membran yakıt hücrelerinde kullanılan membranların;?? Proton geçirgen özellikte olması,?? Su, yakıt (hidrojen veya metanol), oksijen ve havadaki diğer gazları geçirmemesi?? Mekanik dayanımının yüksek olması,?? Uzun süreli kullanımda ısıl ve kimyasal direnci yüksek,?? Teknolojik olarak yaygın bir şekilde kullanılabilmesi için emniyetli ve ucuz olması gerekmektedir.Proton değişim yakıt hücrelerinde kullanılan membranların yüksek verimle çalışabilmeleri için su ile tamamen doyurulmuş olmaları gerekmektedir. Yapılan çalışmalarda membranın tam doygun olduğu zaman yüksek iyonik iletkenliğe ulaşıldığı görülmektedir.Membran çok ince bir yapıya sahip olmasına rağmen çok etkili bir gaz ayrıştırıcıdır. Hidrojen yakıtı, oksidant havadan ayırıp ayrı tutabilme kabiliyetine sahip olup bu özellik yakıt pilinin çalışma verimine esas oluşturmaktadır. Membran iyonik iletken olmasına rağmen elektronları geçirmez. Organik doğası gereği elektronik yalıtkandır. Bu durum ise yakıt pilinin çalışmasının diğer bir esasıdır. Plakadan geçmeyen elektronlar, harici bir devre yardımıyla hücrenin diğer tarafına (katot) alınır ev devrelerini tamamlarlar.Bu çalışmada ana zincir olarak PVC kullanılıp, bu polimere sülfon grubu içeren AMPS monomeri aşı kopolimerizasyonu ilebağlanmıştır. P(VC-g-AMPS) aşı kopolimerinin sentezlenmesi için iki farklı polimerizasyon çeşidi kullanılmıştır. Bunlar ATRP ve iniferter polimerizasyon metotlarıdır.ATRP çok yönlü kontrollü radikal polimerizasyon metotlarından biridir. Bir ATRP sistemi; başlatıcı, metal halojenür, ligand ve monomerden oluşmaktadır. Düşük oksidasyon basamağına sahip metal kompleksi (Mtn compleks/Ligand), radikal ve daha yüksek oksidasyon basamağına sahip metal kompleksi (X-Mtn+1/Ligand) üretmek üzere alkil halojenür (R-X) ile reaksiyona girer. Oluşan radikal monomere eklenir ve böylece polimer zincirinde büyüme gerçekleşir. Reaksiyonun ilerleme aşaması halojenürün koparılması sonucu oluşan serbest radikal üzerinden ilerler. Serbest radikal metalden halojenürü tekrar koparır ve aktif olmayan ürün oluşur. Bu işlemler oldukça hızlıdır ve reaksiyonda denge aktif olmayan ürün oluşumu yönündedir. Aktivasyon ve deaktivasyon hız sabitlerinin oranına bağlı olarak bir süre sonra büyüyen zincir yine aktif hale gelir ve büyümeye devam eder. Bu basamaklar tekrarlanarak kontrollü zincir büyümesi sağlanmış olur. Sonlanma tamamen önlenemez, ancak sonlanan zincirlerin oranı büyüyen zincirlerle karşılaştırıldığında sonlanan zincirlerin sayısı oldukça küçüktür.ATRP reaksiyonu ortamdaki monomer bitene kadar ya da reaksiyon koşulları bozulana kadar devam eden bir yaşayan polimerleşme tekniğidir. İstenilen ağırlıkta polimer elde edene kadar reaksiyon devam edebilir ve reaksiyonu durdurmak için dışarıdan müdahale gerekmektedir.Bu çalışmanın ATRP basamağında, PVC makro başlatıcı olarak kullanılmış ve PVC ye ait klor gruplarından reaksiyon gerçekleşmiştir.Diğer yöntem olan iniferter polimerizasyonu ise bir iniferter grubun ışık veya ısı ile radikal üretmesi ve monomerin başlatıcı radikali ile kontrollü mekanizmayı sağlayan sonlandırıcı radikal grubunun arasına dolması ile gerçekleşir. Bu kontrollü radikal polimerizaston tipi ilk olarak 1982 yılında Otsu ve Yoshida tarafından gerçekleştirilmiştir. Monofonksiyonel fotoiniferter BDC (Benzil-N,N-dietilditiyokarbomat) ve bifonksiyonel fotoiniferter XDC (Ksilen bis N,N-dietilditiyokarbomat) bazı monomerlerin yaşayan polimerizasyonları için kullanılmıştır [49]. Bu çalışmada iniferter grup olarak, sodyum dietilditiyokarbomat kullanılmıştır. Makrobaşlatıcı olarak önce PVC ile sodyum dietil ditiyokarbomat reaksiyona sokulmuş ve PVC-DDC makrobaşlatıcısı sentezlenmiştir. Ardından ışık ile PVC üzerinde bulunan DDC gruplarından iniferter polimerizasyonu gerçekleştirilmiş ve istenen P(VC-g-AMPS) aşı kopolimeri elde edilmiştir.İki farklı metotla sentezlenen P(VC-g-AMPS) aşı kopolimeri FT-IR, UV-Visible, DSC, 1H NMR, klasik GPC ve üçlü dedektör GPC sistemleri ile karakterize edilmiştir.Sentezlenen maddelerin iyon iletkenlikleri Elektrokimyasal Empedans Spektrometresi ile incelenmiştir.
Özet (Çeviri)
The proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) uses a water-based, acidic polymer membrane as its electrolyte, with platinum-based electrodes. PEMFC cells operate at relatively low temperatures (below 100 degrees Celsius) and can tailor electrical output to meet dynamic power requirements. Due to the relatively low temperatures and the use of precious metal-based electrodes, these cells must operate on pure hydrogen. PEMFC cells are currently the leading technology for light duty vehicles and materials handling vehicles, and to a lesser extent for stationary and other applications. The PEMFC fuel cell is also sometimes called a polymer electrolyte membrane fuel cell (also PEMFC).Fuel cells have various advantages compared to conventional power sources, such as internal combustion engines or batteries. Although some of the fuel cells' attributes are only valid for some applications, most advantages are more general.Fuel cells have a higher efficiency than diesel or gas engines. Fuel cells can eliminate pollution caused by burning fossil fuels; for hydrogen fuelled fuel cells, the only by-product at point of use is water. If the hydrogen comes from the electrolysis of water driven by renewable energy, then using fuel cells eliminates greenhouse gases over the whole cycle. Fuel cells do not need conventional fuels such as oil or gas and can therefore reduce economic dependence on oil producing countries, creating greater energy security for the user nation. Since hydrogen can be produced anywhere where there is water and a source of power, generation of fuel can be distributed and does not have to be grid-dependent. The use of stationary fuel cells to generate power at the point of use allows for a decentralised power grid that is potentially more stable. Operating times are much longer than with batteries, since doubling the operating time needs only doubling the amount of fuel and not the doubling of the capacity of the unit itself.The main goal of this study is to design a polymeriz material and to investigated thermal properties and ion conductivity of this material. In this study, PVC based graft copolymer was synthesized and AMPS as sulfonic acid groups containing monomer were used. Two different polymerization methods, ATRP and iniferter polymerization method, were used in order to synthesis of PVC based graft copolymers. These synthesises were characterizated by using FT-IR, UV-Visible spectrophotometer, DSC, 1H NMR, conventional and triple detector systems GPC.Proton conducting properties were investigated via Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS).
Benzer Tezler
- Development of novel proton conducting polymer membranes and investigation of their structure-property relationship
Yeni proton iletken polimer membranların geliştirilmesi ve membrandaki yapı-özellik ilişkisinin incelenmesi
ÇİĞDEM BİLİR
Doktora
İngilizce
2016
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÜMİT TUNCA
PROF. DR. ADEM LEVEND DEMİREL
- Poly(vinylidene fluoride) based graft copolymer
Poliviniliden florür temelli aşı kopolimeri
AHMET YASİR DEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN HAYRİ ACAR
- Yakıt hücrelerinde kullanmak üzere nanokompozit membran sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of nano composite membrane for the fuel cells
ALPAY ŞAHİN
Doktora
Türkçe
2013
Kimya MühendisliğiGazi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İRFAN AR
- Yakıt hücrelerinde kullanılmak üzere polivinil alkol bazlı kompozit membran sentezi
Synthesis of polyvinyl alcohol based composite membrane for fuel cells
AYŞE TAŞKIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Kimya MühendisliğiGazi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İRFAN AR
- Polimer elektrolitli yalıt pillerinde karbon-platin-rutenyum kompozit elektrotun sentezi
Synthesis of carbon-platinum-ruthenium composite electrode in polymer electrolyte fuel cells
YÜCEL CEVİZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2004
Kimya MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. SEYFETTİN ERTURAN