Pem yakıt hücrelerinde kullanılmak üzere membran geliştirilmesi, simülasyonu ve hücre performansının araştırılması
Membrane development for pem fuel cells, simulation, and investigation of cell performance
- Tez No: 977915
- Danışmanlar: PROF. DR. NEZİHE AYAS
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Eskişehir Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Temel İşlemler ve Termodinamik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yakıt hücrelerinde kullanılan membranlar, hücrenin verimliliğini ve dayanıklılığını etkileyen bileşenlerden biridir. Bu çalışmada, proton değişim membranlı yakıt hücresinde (PEMFC) kullanılmak üzere, Nafyon ve PBI bazlı kompozit membranlar geliştirilmiştir. Membranların özelliklerini iyileştirmek amacıyla katkı maddesi olarak hekzagonal bor nitrür (hBN) ve kaolin seçilmiştir. Polibenzimidazol (PBI) polimeri sentezlenmiş ve 1H-NMR analizi ile doğrulandıktan sonra, PBI bazlı kompozit membranların hazırlanmasında kullanılmıştır. Nafyon-Kaolin, Nafyon-hBN ve Nafyon-Kaolin-hBN ile PBI-hBN ve PBI-hBN-Kaolin kompozit membranları hazırlanarak, iyon değişim kapasitesi, su ve asit tutma kapasitesi, kimyasal kararlılık, XRD, TGA, FT-IR, empedans analizi ve yakıt hücresi performans testleri ile karakterize edilmiştir. Nafyon bazlı membranlar, katkısız Nafyon'a ve ticari NR-212'ye göre daha iyi özellikler göstermiştir. 55 ve 110 µm kalınlıkta hazırlanan membranlar arasında, özellikle 55 µm kalınlığındaki Nafyon-1hBN-10Kaolin membranı, 80 oC'de 0,433 S/cm proton iletkenliği ve yakıt hücresi performansında 80 oC ve %100 bağıl nem koşulunda 0,6 V'de 375,10 mW/cm2 güç yoğunluğu ve 647,85 mA/cm2 akım yoğunluğu ile en yüksek performansı göstermiştir. Aynı koşullarda NR-212 membranı ile kıyaslandığında, güç yoğunluğunda %18, akım yoğunluğunda ise yaklaşık %23 oranında bir artış sağlanmıştır. PBI bazlı membranlar arasında ise en iyi sonuç, 180 oC'de 0,377 S/cm proton iletkenliği ve 80 oC'de 45,66 mW/cm2 güç yoğunluğu ve 76,08 mA/cm2 akım yoğunluğu ile PBI-1hBN membranı ile elde edilmiştir. Simülasyon çalışmalarında, ANSYS-PEMFC modülü kullanılarak membran kalınlığı ve çalışma sıcaklığı gibi parametrelerin hücre performansına etkileri incelenmiştir. Elde edilen simülasyon sonuçları, deneysel verilerle kıyaslanarak uyumlu olduğu gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Membranes used in fuel cells are among the critical components affecting both the efficiency and durability of the cell. In this study, Nafion and PBI based composite membranes were developed for use in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). To improve the properties of the membranes, hexagonal boron nitride (hBN) and kaolin were selected as additive materials. The polybenzimidazole (PBI) polymer was synthesized and verified via 1H-NMR analysis before being used in the preparation of PBI-based composite membranes. Nafion-Kaolin, Nafion-hBN, and Nafion-Kaolin-hBN, as well as PBI-hBN and PBI-hBN-Kaolin composite membranes were prepared and characterized through ion exchange capacity (IEC), water and acid uptake capacity, chemical stability, XRD, TGA, FT-IR, impedance analysis, and fuel cell performance tests. The Nafion-based membranes exhibited superior properties compared to pristine Nafion and commercial NR-212 membranes. Among the membranes prepared in 55 and 110 µm thicknesses, the Nafion-1hBN-10Kaolin membrane with a thickness of 55 µm showed the highest performance, achieving a proton conductivity of 0.433 S/cm at 80 oC and a power density of 375.10 mW/cm2 and a current density of 647.85 mA/cm2 at 0.6 V under 100% relative humidity and 80 oC. Compared to NR-212 under the same conditions, this represents an increase of approximately 18% in power density and 23% in current density. Among the PBI-based membranes, the best results were obtained with the PBI-1hBN membrane, which exhibited a proton conductivity of 0.377 S/cm at 180 oC and delivered a power density of 45.66 mW/cm2 and a current density of 76.08 mA/cm2 at 80 oC. In the simulation studies, the effects of parameters such as membrane thickness and operating temperature on fuel cell performance were investigated using the ANSYS-PEMFC module. The obtained simulation results were found to be consistent with the experimental data.
Benzer Tezler
- Yakıt hücresi uygulamaları için stiren-(etilen-bütilen)-stiren (SEBS) esaslı kompozit polielektrolit membran geliştirilmesi
Development of styrene-(ethylene-buthylene)-styrene (SEBS) based composite polyelectrolyte membrane for fuel cell applications
KİNYAS POLAT
- PEM yakıt hücrelerinde kullanılmak üzere katot katalizör geliştirilmesi, hücre verimine etkisinin incelenmesi ve performans modellemesi
Cathode catalyst development for use in PEM fuel cells, investigation of cell efficiency and performance modelling
TOLGA KAAN KANATLI
Doktora
Türkçe
2025
Kimya MühendisliğiEskişehir Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEZİHE AYAS
- PEM yakıt hücrelerinde kullanılmak üzere pes blend membran üretimi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of PES blend membrane for pem fuel cell
AYLİN ERİŞ DALĞIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Kimya MühendisliğiGazi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İRFAN AR
- Anyon değişim membran yakıt hücrelerinde kullanılmak üzere katot katalizörlerinin sentezi ve aktivitesinin belirlenmesi
Synthesis and determination of the activity of cathode catalysts for use in anion exchange membrane fuel cells
ALI TAMBWE AMIR
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Kimya MühendisliğiGazi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA ÇİĞDEM GÜLDÜR
ÖĞR. GÖR. SİLVER GÜNEŞ
- Synthesis of amphiphilic graft copolymer via click chemistry
Klik kimyası ile amfifilik aşı kopolimer sentezi
EMİNE YILDIRIM
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN HAYRİ ACAR