Synthesis and characterizaton of hydrocarbon based nanocomposite membrane for pem fuel cells
Pem yakıt pillerinde kullanmak üzere hidrokarbon bazlı nanokompozit membran sentezi ve karakterizasyonu
- Tez No: 518154
- Danışmanlar: PROF. DR. EROL PEHLİVAN, PROF. DR. İRFAN AR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Membran karakterizasyonu, nanokompozit membran sentezi, proton değişiml membran (PDM), PVA bazlı membran, Yakıt pili, Fuel cell, membrane characterization, nanocomposite membrane synthesis, proton exchange membrane (PEM), PVA based membrane
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Selçuk Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 168
Özet
Günümüzde, yakıt ve enerji ile ilgili bilimsel çalışmalar, fosil yakıt bazlı olmayan teknolojilere odaklanmaktadır. Bu teknolojilerin en önemlisi yakıt pili teknolojisidir. Proton değişim membranlı yakıt Pillleri (PDMYP), yüksek güç yoğunluğu, hızlı ve sessiz çalışması, düşük hassasiyet, verimli enerji dönüşüm sistemi ve çevre dostu avantajları nedeniyle otomotiv ve portatif güç uygulamaları için büyük bir potansiyele sahiptir. PDMYP'nin en önemli kısmı proton değişim membranıdır (PDM). Halihazırda, florokarbon bazlı Nafion, PDM yakıt pillerinde en yaygın kullanılan ticari membrandır. Nafion'un kimyasal, mekanik, proton iletkenliği ve diğer karşılaştırmalı özelliklerinin iyi olmasına rağmen, pahalı olması ve 90 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda su içeriğinin buharlaşması nedeniyle proton iletkenliği azalır. Bu nedenle, alternatif membranı aramak kaçınılmazdır. Bu çalışmada, Nafion için alternatif bir membranın sentezlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, ilk adım olarak, hidrokarbon bazlı membranlar ucuz ve mevcut polimer kullanılarak sentezlendi. Membranların zayıf özellikleri, katkı maddeleri kullanılarak ve termal ve/veya kimyasal çapraz bağlama işlemleri uygulanarak geliştirilmiştir. Hidrokarbon bazlı membranların sentezlenmesi için Polivinil Alkol (PVA) kullanıldı. Optimum fosforik asit yüzdesini ortaya çıkarmak için, sentez prosedürü, farklı fosforik asit katkısı yüzdeleri (% 10,% 20,% 30,% 40 ve% 50) kullanılarak solüsyon döküm yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. En iyi değer % 30 fosforik asit katkılı PVA membranı (30P) içeren membrandan elde edildi. Bu nedenle, kalan deneyler, farklı oranlarda (% 2,% 5,% 10,% 15 ve% 20) farklı katkı maddeleri (saf sepiolit ve modifiye sepiolit) ile bu membran kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu sentezlenmiş membranların sentezlenmesinde kullanılan saf sepiolit veya modifiye sepiyolite bağlı olarak sırasıyla S ve MS olarak kodlanmıştır. Bu çalışmada modifiye sepiyoliti hazırlamak için saf sepiolitin modifikasyon süreci geliştirilmiş ve fourier transform kızılötesi spektroskopisi (FT-IR), enerji dağılımlı X-ışını (EDX) ve transmisyon elektron mikroskobu (TEM) analizi ile yapısı doğrulanmıştır. Hem termal olarak işlenmiş hem de kimyasal olarak çapraz bağlanan nano-kompozit membranların (MS-G) elde edilmesi için MS membranlarına termal işleminin yanı sıra kimyasal çapraz bağlama işlemi de uygulanmıştır. Sentezlenen membranların PDMYP çalışma koşulları altında uygulanabilirliğini belirlemek için su tutma kapasitesi, şişme oranı, iyon değişim kapasitesi (IEC), elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ile proton iletkenliği, termogravimetrik analiz (TGA), mekanik test, fourier transform kızılötesi spektroskopisi (FT-IR), elektron tarama mikroskobu (SEM) ve enerji dağılımlı X-ışını (EDX) gibi karakterizasyon testleri yapılmıştır. Son olarak, karakterizasyon deneyleri ile seçilen uygun membranlar kullanılarak imal edilen membran elektrot düzeneği (MEA) kullanılmasıyla yakıt pili performans testleri gerçekleştirilmiştir. Karakterizasyon deneyleri ve yakıt pili performans testleri sonucunda, bu doktora çalışmasında geliştirilen nano boyutlu modifiye sepiyolit kullanılarak sentezlenen MS-G membranların özellikleri, sadece ısıl işlemden geçirilmiş nano boyutlu saf sepiyolit ve modifiye sepiyolit kullanılarak sentezlenen membranlardan daha iyi olduğu bulunmuştur. PVA'nın hidrofilik doğasına rağmen, hidrolitik olarak kararlı nano kompozit membranlar başarılı bir şekilde sentezlenmiştir. En iyi yakıt pili performans testi sonuçları, % 2 modifiye sepiolit (2MS-G) içeren, termal olarak işlenmiş ve kimyasal olarak çapraz bağlı nano-kompozit membranlar için elde edilmiştir. 2MS-G kodlu membranın 0.5 V' ta kullanılabilir akım yoğunluğu ve güç yoğunluğu değerleri, sırasıyla 500 mA/cm2 ve 0.25 W/cm2 'dir. Bu membran, 0.158 S/cm bir proton iletkenliğine, 0.89 meq/g iyon değişim kapasitesine ve % 38.41 su tutma kapasitesine sahiptir. Bu değerleri ve 2MS-G'nin diğer birçok özelliği ile ilgili olarak, bu membranın, Nafion membranı için umut verici bir alternatif olduğu ve H2/hava PDM yakıt pillerinde kullanım için iyi bir aday olduğu sonucuna varılmıştır.
Özet (Çeviri)
Today, scientific studies on fuel and energy focus on non-fossil fuel based technologies. The most prominent of these technologies is fuel-cell technology. Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) have great potential for automotive and portable power applications due to their numerous advantages, such as high power density, fast and quiet operation, low sensitivity, efficient energy conversion system, and environmental friendliness. The most important part of the PEMFC is its proton exchange membrane (PEM). Nowadays, fluorocarbon-based Nafion is the most widely used commercial membrane in PEM fuel cells. Although the chemical, mechanical, proton conductivity and other comparative properties of Nafion are good, it is expensive and its proton conductivity decreases due to the vaporization of its water content at temperatures higher than 90 °C. Therefore, looking for the alternative membrane is unavoidable. In this study, it is aimed to synthesis an alternative membrane for Nafion. For this purpose, as a first step, hydrocarbon-based membranes were synthesized by using cheap and available polymer. The weak properties of the membranes have been improved by using additives and applying thermal or/and chemical cross-linking processes. Polyvinyl Alcohol (PVA) was used to synthesize hydrocarbon-based membranes. In order to reveal the optimum phosphoric acid percentage, the synthesis procedure was carried out by using different phosphoric acid doping percentages (10%, 20%, 30%, 40% and 50%) by solution casting method. The best value was obtained for the membrane containing 30% phosphoric acid-doped PVA membrane (30P). Therefore, the remaining experiments were carried out by using this membrane with different additives (pristine sepiolite and modified sepiolite) with different ratios (2%, 5%, 10%, 15%, and 20%). These synthesized membranes were coded depending on whether pristine sepiolite or modified sepiolite used in their synthesis as S and MS respectively. The modification process of pristine sepiolite to prepare the modified sepiolite was developed in this work and results confirmed by, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), Energy Dispersive X-ray (EDX) and Transmission Electron Microscopy (TEM) analysis. Chemical crosslinking was applied to MS membranes beside the thermal treating process to obtain both thermally treated and chemically crosslinking nano-composite membranes (MS-G). To determine the applicability of the synthesized membranes under the PEM fuel cell operating conditions, characterization tests such as water uptake capacity, swelling ratio, Ion Exchange Capacity (IEC), proton conductivity by Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), Thermogravimetric Analysis (TGA), mechanical testing, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), Electron Scanning Microscopy (SEM) and Energy Dispersive X-ray (EDX) have been performed. Finally, single fuel cell performance tests were performed by using membrane electrode assembly (MEA) fabricated by using appropriate membranes which were selected by regarding the characterition experiments. As a result of characterization experiments and fuel cell performance tests, it was found that the properties of MS-G membranes synthesized by using nano-sized modified sepiolite which developed in this Ph.D. study were better than that the only thermally treated membranes synthesized by using nano-sized pristine sepiolite and modified sepiolite. Despite the hydrophilic nature of PVA, hydrolytically stable nano-composite membranes have been successfully synthesized. The best single fuel cell performance test results were obtained for both thermally treated and chemically crosslinked nano-composite membranes having 2% modified sepiolite (2MS-G). The usable current density and power density values of the 2MS-G coded membrane at 0.5 V were 500 mA/cm2 and 0.25 W/cm2 respectively. This membrane has a proton conductivity of 0.158 S/cm, ion exchange capacity value of 0.89 meq/g and 38.41% water uptake capacity. By regarding these values and with many other properties of 2MS-G, it was concluded that this membrane is a promising alternative for Nafion membrane and good candidate for usage in H2/air PEM fuel cells.
Benzer Tezler
- İç ortamdaki inorganik ve organik kirleticilerin yeni teknolojiler ile giderilmesi
Removal of inorganic and organic pollutants in the indoor air by new technologies
BİLGE BETÜL ÖZÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN
- Fabrication of enhanced core-shell CO-ZIF-67@MOX (M = ZN, MN and K) nanocomposites via intermediate pyrolysis and plasma treatment for fischer tropsch synthesis
Fischer tropsch sentezi için piroliz ve plazma işlemi ile geliştirilmiş çekirdek-kabuk yapılı CO-ZIF-67@MOX (M = ZN, MN ve K)nanokompozitlerinin üretimi
YAVUZ AYDEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPER SARIOĞLAN
- Tetrapirol türevlerinin sentezi ve enerji alanındaki uygulamaları
Synthesis of tetrapyrole derivatives and applications in the field of energy
EKREM KAPLAN
- İlaç yüklü pH duyarlı poliüretan filmlerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of drug loaded ph sensitive polyurethane films
FULYA GÜLMEZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA SENİHA GÜNER
- 4'-dioktilamino-3-hidroksiflavon temelli floresans probların sentezleri ve özelliklerinin incelenmesi
The synthesis and characterization of 4'-dioctylamino-3-hydroxyflavone based fluorescent probes
SİMAY ÇIKRIKÇI