Superhydrophobic fluorinated carbons for the microporous layer of polymer electrolyte fuel cells
Polimer elektrolit yakıt hücrelerinin mikro gözenekli tabakası için süperhidrofobik florlu karbonlar
- Tez No: 928735
- Danışmanlar: PROF. DR. STEPHEN MATTHEW LYTH
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Kyushu University
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Otomotiv Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 155
Özet
Polimer elektrolit yakıt hücreleri (PEFC'ler) yüksek verimli hidrojen bazlı temiz enerji dönüşüm teknolojisidir. PEFC'ler, ulaşım sektöründe uzun süredir hüküm süren içten yanmalı motor hegemonyasını yıkmak için etkileyici bir potansiyel göstermektedir. Ancak, yüksek akım yoğunluklu PEFC operasyonlarında su yönetimi sorunu sistem verimliliğini büyük ölçüde düşürmektedir. Bu nedenle, PEFC performansının yanı sıra su yönetimini de iyileştirmek için gaz difüzyon katmanı (GDL) ve/veya mikro gözenekli katman (MPL) için yeni malzemeler oluşturmak ve tasarlamak önemlidir. Florlu karbonlar, üstün su itici özellikleri nedeniyle MPL malzemesi olarak umut verici bir alternatif olabilir. Bu nedenle, bu tezin temel amacı, MPL malzemesi olarak uygun özelliklere sahip süperhidrofobik florlu karbonlar kullanarak yüksek akım yoğunluğu işlemleri altında PEFC sistem performansını artırmaktır. Bölüm 1'de, yakıt pili teknolojisinin genel tarihsel bilgileri ile yakıt pili türleri kısaca açıklanmıştır. PEFC'ler hakkında genel bilgiler verilmekte ve yaygın ticarileştirilmesine odaklanılarak sınırlamaları tartışılmaktadır. PEFC'lerde su yönetiminin önemi ve sorunu vurgulanmaktadır. Florlu karbon siyahı, yüksek akımlı PEFC operasyonları altında su drenaj hızını ve sistem performansını artırmak için MPL için alternatif bir malzeme olarak önerilmektedir. Florlu karbonların PEFC'de kullanımına ilişkin örnekler verilmiş ve florlu karbonun MPL malzemesi olarak araştırılmasındaki eksiklik gösterilmiştir. Bölüm 2'de, bu araştırmada kullanılan çeşitli deneysel yöntemler ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. Bölüm 3'te, süperhidrofobik florlu karbonlar sentezlenmiş ve yoğun bir şekilde karakterize edilmiştir. Florotelomer alkol öncülleri ve sodyum metali ile benzersiz bir solvotermal termal yöntemle florlu karbonların sentezlenmesine yönelik yeni ve benzersiz bir sentez sunulmuştur. Farklı florotelomer alkollerin kimyasal yapı ve mikroyapı üzerindeki etkisi açıklığa kavuşturulmuştur. Sonuçlar, florotelomer alkol ön maddesinin daha yüksek flor içeriğine sahip olmasının, nihai üründe de daha yüksek flor içeriği ile sonuçlandığını göstermektedir. İlginç bir şekilde, dört numune de gözeneksiz grafitleştirilmiş karbon siyahı ile benzer mikroyapılar göstermektedir. Malzemelerin WCA ölçümü, ürünlerin süperhidrofobik doğasını göstermektedir. Şaşırtıcı bir şekilde, sentezlenen florlu karbonlar, sentez işlemi sırasında bir katalizör veya yüksek reaksiyon sıcaklığı olmamasına rağmen oldukça grafitik yapılar göstermektedir. Böylece, bu grafitik oluşum için HF ile ilgili yeni bir katalitik reaksiyon önerilmiştir. Ek olarak, florlanmış karbonlar inert bir atmosfer altında bir ısıl işlem prosesi ile deflorlanmıştır. Daha sonra florlamanın grafitik yapı ve WCA açısı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Florlama ile flor atomlarının sp3 bağlanması nedeniyle grafiksel alandaki defektin arttığı sonucuna varılmıştır. Deflorinasyondan sonra, flor atomlarının yokluğu nedeniyle ürünler daha hidrofilik hale gelir. Bölüm 4'te, süperhidrofobik florlanmış karbon siyahının MPL malzemesi olarak etkisi araştırılmış ve performansı ticari olarak kullanılan grafitleştirilmiş karbon siyahı ile karşılaştırılmıştır. MPL'lerin bulamacı düşük miktarda PTFE bağlayıcı (ağırlıkça %5) ile hazırlanmış ve bulamaç bir GDL üzerine doktor bıçağı yöntemiyle kaplanmış, ardından katkı maddelerini ayrıştırmak ve PTFE'yi sinterlemek için bir ısıl işlem uygulanmıştır. Gözenekliliği hesaplamak için serbest duran MPL'ler bulamacın cam bir plaka üzerine kaplanması ile üretilmiştir. Karbon siyahı bazlı MPL (CB-MPL), %78 gözenekliliğe sahip florlu karbon bazlı MPL (FC-MPL) ile karşılaştırıldığında %83 ile daha yüksek bir gözeneklilik göstermiştir. Su temas açısı (WCA) ölçüm sonuçları, 131º WCA ile CB-MPL'ye kıyasla 151º WCA ile FC-MPL'nin üstün su itici özelliğini ortaya koymuştur. Hazırlanan MPL'lerin performansı in situ PEFC tekli testi ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, FC-MPL'nin üstün su itici özellikleri nedeniyle yapıda daha düşük oksijen taşıma direncinin yanı sıra daha yüksek PEFC performansını açıkça göstermiştir. Bölüm 5'te, önceki bölümlerde elde edilen bulgular özetlenmekte ve bu araştırmanın gelecekteki yönü açıklanmaktadır.
Özet (Çeviri)
Polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) are a highly efficient hydrogen based clean energy conversion technology. PEFCs show impressive potential to take down the long ruling internal combustion engine hegemony in the transportation sector. However, the problem of water management at high current density PEFC operations decreases the system efficiency drastically. It is thus important to create and design new materials for the gas diffusion layer (GDL) and/or the microporous layer (MPL) to improve water management as well as PEFC performance. Fluorinated carbons can be a promising alternative as MPL material due to their superior water repellent properties. Therefore, the main objective of this thesis is to increase the PEFC system performance under high current density operations by employing superhydrophobic fluorinated carbons with suitable properties as MPL material. In Chapter 1, types of fuel cells are briefly explained with the general historical information of fuel cell technology. The general information about PEFCs is provided and its limitations are discussed with the focus on its wide-spread commercialization. The importance and the issue of water management in PEFCs are highlighted. Fluorinated carbon black is proposed as an alternative material for the MPL to improve water drainage speed under high current PEFC operations as well as the system performance. Examples of the usage of the fluorinated carbons in PEFC are given and the lack of investigating fluorinated carbon as MPL material is illustrated. In Chapter 2, the various experimental methods used in this research are explained in detail. In Chapter 3, superhydrophobic fluorinated carbons are synthesized and characterized intensively. A new unique synthesis of synthesize fluorinated carbons with a unique solvothermal thermal method with fluorotelomer alcohol precursors and sodium metal is presented. The effect of different fluorotelomer alcohols on chemical structure and microstructure is elucidated. Results show that a higher fluorine content of the fluorotelomer alcohol precursor results in a higher fluorine content in the final product. Interestingly, all four samples show similar microstructures with non-porous graphitized carbon black. The WCA measurement of materials shows the superhydrophobic nature of the products. Surprisingly, synthesized fluorinated carbons show highly graphitic structures even though there is not a catalyst nor high reaction temperature involved during the synthesis process. Thus, a new HF related catalytic reaction for this graphitic formation is proposed. Additionally, fluorinated carbons are defluorinated with a heat treatment process under an inert atmosphere. Then the effect of fluorination on the graphitic structure and WCA angle is investigated. It is concluded that with fluorination the defect in the graphical domain increases due to the sp3 bonding of fluorine atoms. After defluorination, due to the absence of fluorine atoms, products become more hydrophilic. In Chapter 4, the effect of superhydrophobic fluorinated carbon black as MPL material is investigated and its performance is compared with commercially used graphitized carbon black. The slurry of MPLs were prepared with a low amount of PTFE binder (5 wt.%) and the slurry was coated onto a GDL with a doctor blade method, followed by a heat treatment process to decompose additives as well as sintering the PTFE. To calculate porosity free standing, MPLs were manufactured by coating the slurry onto a glass plate. Carbon black based MPL (CB-MPL) showed a higher porosity with 83% compared to fluorinated carbon based MPL (FC-MPL) with 78% porosity. Water contact angle (WCA) measurement results elucidated the superior water repellent characteristic of FC-MPL with 151º WCA compared to CB-MPL with 131º WCA. Prepared MPLs performance were compared with an in situ PEFC single test. Results clearly showed higher PEFC performance as well as lower oxygen transport resistance in the structure due to the superior water repellent properties of FC-MPL. In Chapter 5, the findings of the previous chapters are summarized, and future direction of this research is explained.
Benzer Tezler
- Farklı tür kumaşlara metal oksit katkılı polimer kompozitlerin kaplanması ve çok fonksiyonlu özelliklerinin incelenmesi
Coating of metal oxide added polymer composites on different types of fabrics and investigation of their multifunctional properties
YAĞMUR SEVDE TUTKAÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Kimya MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİME ÇITAK
- Kitosan tabanlı süperhidrofobik film eldesi, karakterizasyonu ve antifungal aktivitesi
Kitosan based superhydrophobic film production, characterization and antifungal activity
MEHMET BEDİR
- Poliüretan esaslı süperhidrofobik yüzey kaplama materyallerinin geliştirilmesi
Development of the superhydrophobic surface coating materials based on polyurethane
SEHER ŞENADA
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Kimya MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SENNUR DENİZ
- Nanoyapılı süperhidrofobik tekstil yüzeyi modifikasyonu için başlatıcılı kimyasal buhar biriktirme (iCVD) yöntemi ile poli(hekzafloro bütil akrilat) ince filmlerin sentezi
Initiated chemical vapor deposition of poly(hexafluorobutyl acrylate) thin films for superhydrophobic surface modification of nanostructured textile surfaces
BÜŞRA ŞİMŞEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Kimya MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiNanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA KARAMAN
- Development of electrospun multifunctional fibrous structures for icephobic and superhydrophobic applications
Buzfobik ve süperhidrofobik uygulamalar için elektroeğrilmiş çokişlevli lifli yapıların geliştirilmesi
MAHMUT TAS
Doktora
İngilizce
2022
Metalurji MühendisliğiThe University of NottinghamMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. XİANGHUİ HOU