Electrospun sulfonated silica-based proton exchange membranes for PEM fuel cells
PEM yakıt pilleri için sülfonlanmış silika esaslı elektrodokunmuş proton değişim membranları
- Tez No: 762458
- Danışmanlar: PROF. DR. SELMİYE ALKAN GÜRSEL, DR. BEGÜM YARAR KAPLAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 104
Özet
Proton değişim membranlı yakıt pilleri (PEMFC), bir çok alanda kullanıma uygunluğu ve yüksek verim sağlayabilme gibi öne çıkan özelliklerinden dolayı fosil yakıtlardan enerji üreten cihazlara en önemli alternatif olarak görülmektedir. Ancak yakıt pillerinin ticarileşebilmesi için yüksek performans, uzun ömürlülük, ve daha ucuza imalatı konularında geliştirmeler gerekmektedir. Bundan dolayı, PEMFC'ler performansını arttırmak için, özellikle membran alanında, gün geçtikçe artan sayıda araştırma yapılmaktır. Günümüzde PEMFC'ler için Nafion® membranları tercih edilmektedir. Ancak bu membranların yüksek sıcaklıkta ve düşük bağıl nem oranlarındaki (%RH) düşük proton iletkenliği ve yüksek üretim maliyeti öne çıkan en önemli dezavantajlarıdır. Bu dezavantajları ortadan kaldırmak için bu tez çalışmasında iki farklı yöntem ile düşük bağıl nem koşullarında yüksek performans gösterebilecek membranlar üretilmiştir. Yöntemlerin ilki, Nafion® yerine sülfonlanmış silika ve poli(viniliden florür-trifloroetilen) (P(VDF–TrFE)) bazlı veya sülfonlanmış silika ve PVDF bazlı hibrit membranları tekli elektro-eğirme ile hazırlanmasıdır. Bu yöntemde, sülfonlanmış silika (S-SiO2) nanoparçacıkları proton iletimini arttıracak katkı malzemesi olarak, P(VDF-TrFE) veya P(VDF) ise taşıyıcı polimerler olarak kullanılmıştır. %100 RH ve 80°C'de yapılan ölçümlerde hibrit S-SiO2/P(VDF-TrFE) membranlar (102 mS/cm), S-SiO2/PVDF membranlara (43 mS/cm) kıyasla iki kattan fazla proton iletkenliği göstermiştir. Bu üstünlük, hibrit P(VDF-TrFE) yapısının proton iletimini kolaylaştıran daha geniş mikrokanallar oluşturabilmesinden kaynaklanmaktadır. İkinci yöntemde ise, S-SiO2 ağı ile desteklenmiş fiber Nafion®/PVDF ve Nafion®/P(VDF-TrFE) esaslı hibrit membranlar incelenmiştir. Bu amaçla, hızlı ve ölçeklenebilir bir kompozit membran üretimi için tek basamakta dual-fiber yapılı mat üretimi ve sol-jel yöntemleri birleştirilerek kullanılmıştır. Tezin bu kısmında, P(VDF-TrFE) bazlı membranlar sadece P(VDF) bazlı olanlara kıyasla daha yüksek proton iletkenliği göstermiştir (%100 RH ve 80°C'de 132 mS/cm ve 79 mS/cm). Ek olarak, kompozit membranların yakıt pili performans testleri, özellikle düşük bağıl nem oranlarında daha iyi sonuçlar göstermiştir. Kompozit membranlardan elde edilen maksimum gün yoğunluğu 344 mW/cm2 (%60 RH) olup aynı koşullardaki P(VDF) bazlı membranlardan (%60 RH'de 190 mW/cm2) daha iyi sonuçlar göstermiştir. Elde edilen bu sonuçlar, hibrit P(VDF–TrFE) bazlı membranların PEMFC uygulamaları için umut veren bir alternatif olarak düşünülebileceğini işaret etmektedir.
Özet (Çeviri)
Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are considered as the most promising alternative systems for fossil fuel-based devices due to their outstanding characteristics such as high efficiency and applicability in a wide range of sectors. Nevertheless, the materials characteristics and system designs with promising performance, durability, and cost-effectiveness still need to be improved for their commercialization. In this regard, a growing amount of research has been conducted to enhance the properties of their various parts, particularly the membrane as the heart of a PEMFC which serves numerous vital functions. Nafion® membranes are commonly used as the membrane material in PEMFCs due to their several advantages but they suffer mainly from insufficient proton conductivity at low relative humidity (RH) and elevated temperatures as well as high-cost production cost. To overcome the disadvantages of Nafion® membranes, in the present thesis two different strategies were used to synthesis and fabrication of proton conductive membranes with a promising performance at low humidity operation conditions. In the first approach, for substitution of Nafion® membranes sulfonated silica/ poly (vinylidene fluoride-co trifluoroethylene)-based (P(VDF-TrFE)) and sulfonated silica/ poly (vinylidene fluoride)-based (PVDF) hybrid membranes were prepared via single electrospinning method where sulfonated silica (S-SiO2) nanoparticles were used as proton conductive additives and PVDF or P(VDF-TrFE) as the carrier polymers. Hybrid S-SiO2/P(VDF-TrFE) membranes showed a superior proton conductivity (102 mS/cm) at 80°C and 100% RH than the S-SiO2/ PVDF membranes (43 mS/cm) at the same conditions. These superior results are due to the P(VDF-TrFE) polymer in the hybrid membrane structure that creates larger micro-channels for proton conduction. In the second approach, modification of Nafion® membranes were investigated by incorporation of sulfonated silica (S-SiO2) network into the Nafion®/PVDF or Nafion®/P(VDF-TrFE) fibrous mats. For this purpose, a single-step dual-electrospinning and sol-gel method were combined for the preparation of composite membranes as a fast and scalable technique. In this part of the thesis, the P(VDF-TrFE)-based membranes showed higher proton conductivity than PVDF-based ones (132 vs. 79 mS/cm at 80°C and 100% RH). Moreover, composite membranes exhibit superior cell performance especially at lower applied humidity conditions. The maximum power density is at 344 mW/cm2 60% RH, and this value higher than the PVDF-based membranes which is 190 mW/cm2 at the same conditions. These observations suggest that P(VDF-TrFE)-based membranes can be considered as promising alternative membranes for PEMFC applications operating at low humidity conditions.
Benzer Tezler
- Electrospun synthesized sulfonated peek separator for power composites
Elektrospun sentetik sülfonatlanmış peek güçlü kompozit için ayırıcı
AMIN RANJBAR AGHJEHKOHAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Mühendislik BilimleriSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FEVZİ ÇAKMAK CEBECİ
PROF. DR. MEHMET YILDIZ
- Yakıt hücrelerinde kullanılmak üzere elektrospun kompozit membran sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of electrospun composite membranes for use in fuel cells
ZEYNEP KÜBRA ÇINAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Kimya MühendisliğiGazi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURSEL DİLSİZ
- Fabrication and evaluation of sulfonated poly(ether ether ketone) and fluoridated hydroxyapatite composite scaffolds for bone tissue engineering
Kemik doku mühendisliği için sülfonatlı poli(eter eter keton) ve florürlü hidroksiapatit kompozit iskelelerin imalatı ve değerlendirilmesi
ATAOLLAH NOSRATINIA
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
BiyomühendislikOrta Doğu Teknik ÜniversitesiBiyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DİLEK KESKİN
PROF. DR. ZAFER EVİS
- Nafion esaslı nanoliflerinin geliştirilmesi
Development of nafion based nanofibres
RUMBIDZAI ETINA ZIZHOU
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiEge ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Assoc. Prof. Dr. AHMET ÇAY
- Fabrication of forward osmosis membrane and its application after membrane bioreactor
İleri osmoz membran üretimi ve membran biyoreaktör sonrası uygulanması
SEDA GAZİOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU