Yakıt hücresi uygulamaları için polivinil alkol esaslı anyon değişim membranlarının geliştirilmesi

Abstract

PEM yakıt hücreleri, anyon (hidroksil iyonu) veya proton (hidrojen iyonu) değişim membran yakıt hücreleri (ADMYH/PDMYH) olarak sınıflandırılabilirler. PDMYH'ler, yüksek verimlilikleri, yüksek enerji ve güç yoğunlukları, düşük emisyonları, düşük çalışma sıcaklıklarıyla ticarileşmesi en olası yakıt hücresi türüdür. Ancak ADMYH'ler, bazik ortamda oksijen indirgenme reaksiyon kinetiğinin daha hızlı olması sayesinde PDMYH'lerin aksine ucuz metal katalizör kullanımına olanak sağlamaktadır. ADMYH'de OH- iyonları katottan anoda transfer olduğundan, iyonlarla sürüklenerek katot tarafına taşınan yakıt miktarının az olması ve elektroosmatik sürüklemeyle katottan suyun uzaklaştırılması sonucunda su yönetiminde iyileşme sağlanması üstünlükleri de bulunmaktadır. Alkali Yakıt Hücreleri'ne benzer işleyişlerine rağmen, elektrolit olarak polimerik membran kullanıldığından, karbondioksit zehirlenmesi gerçekleşmez. ADMYH uygulamaları için henüz Nafion gibi dayanıklı, kararlı ve ticari olarak kullanılabilen bir membran geliştirilememiştir. Çalışmada yüksek, sürdürülebilir iletkenlik ve performans kararlılığına sahip PVA esaslı KOH katkılı ADM'ler geliştirilmesi amaçlanmıştır. Farklı çapraz bağlayıcı ajanlarla (glutaraldehit-GA, polietilen glikol diglisidil eter-PEGDGE) hazırlanan KOH katkılı PVA membranlar, poli dialil dimetil amonyum klorür (PDDA) ve polistiren sülfonik asit (PSS) polielektrolit çiftiyle Tabakalı Kaplama Yöntemi (Layer-By-Layer/LBL) kullanılarak çok tabakalı ince filmle kaplanmıştır. Membranların karakterizasyonu; FTIR, TGA, XRD, temas açısı ölçümü, su tutma kapasitesi, iyonik iletkenlik, uzun süreli kararlılık testleriyle gerçekleştirilmiştir. Sonuçta PEGDGE ile çapraz bağlanmış PVA esaslı membranların daha yüksek iyonik iletkenliğe sahip oldukları; LBL yöntemiyle membran yüzeyinde oluşan ince filmin iyonik iletkenliği arttırdığı; uzun süreli kararlılık testleri sonucunda ince film oluşumunun ADM'nin iyonik iletkenlik kararlılığını arttırdığı görülmüştür. LBL yöntemiyle ince film kaplı ADM hazırlamanın, yakıt hücresi uygulamaları için yüksek ve sürdürülebilir iyonik iletkenliğe sahip ADM geliştirilmesinde uygulanabilecek bir yöntem olduğu sonucuna varılmıştır.

Polymer electrolyte membranes are classified as anion (hydroxyl ion) and proton exchange membrane fuel cells. PEMFCs have the most commercialization chance due to their properties. However, AEMFCs have advantages like allowing usage of inexpensive metal catalyst owing to the faster reaction kinetics of oxygen reduction in alkaline media, lower fuel crossover to the cathode side and improvement in water management due to electroosmotic drag transporting water away from cathode. Although they have the similar operation with AFCs there's no issue related CO2 poisoning in this fuel cell because of the usage of polymeric membrane.For AEMFC applications, a durable, stable and commercial membrane like Nafion hasn't been developed yet. This thesis aims to develop KOH doped PVA based membranes having high, sustainable conductivity and high performance stability. KOH doped PVA membranes crosslinked with different crosslink agents (gluteraldehyde-GA, polyethylene glycol diglicidyl ether-PEGDGE) are coated with thin film by using Layer-by-Layer (LBL) technique with polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA) ve polistyrene sulfoic acid (PSS). Membranes have been characterized by FTIR, TGA, XRD, contact angle measurements, water uptake, ionic conductivity, long-term stability tests. In the results, PVA based membranes crosslinked with PEGDGE have higher ionic conductivities; the thin film formed on the membrane with LBL technique increased the conductivity; after long term stability tests, thin film forming increased ionic conductivity of the AEM. It's concluded that the preparation of thin film coated AEMs by using LBL technique is a method that can be applied to improve AEMs that have high and sustainable ionic conductivity.