Yüksek sıcaklık yakıt hücreleri için polimer esaslı kompozit membranların sentezi ve karakterizasyonu

Abstract

Polimer elektrolit membran yakıt hücrelerinin (PEMYH) çeşitli ulaşım sistemleri ve durağan/portatif uygulamalarda geleceğin çevreye duyarlı alternatif enerji kaynaklarından biri olacağı düşünülmektedir.PEM yakıt hücrelerinde enerji üretim performansını etkileyen en önemli unsur iyon (proton) iletimini sağlayan polimer elektrolit membranlardır. Günümüzde PEM yakıt hücrelerinde, sahip olduğu yüksek mekanik/kimyasal dayanım ve yüksek iyonik iletkenlik özelliği sebebiyle perflorine Nafion membranlar yaygın olarak kullanılmaktadır. Nafion ticari membranın proton iletken elektrolit olarak kullanıldığı PEM yakıt hücreleri, membranın tamamen suya doygun olduğu koşullarda 80oC işletim sıcaklığında çalışmaktadırlar. Bu işletim koşullarında açığa çıkan karbonmonoksitin yol açtığı katalizör (platin) zehirlenmesi ve yakıt olarak saf hidrojen kullanılması durumunda karşılaşılacak yüksek maliyet yakıt hücresi performansını olumsuz yönde etkilemektedir. Bu sınırlayıcı etkilerin, PEM yakıt hücrelerinin daha yüksek sıcaklıklarda çalıştırılmasıyla giderilebileceği düşünülmektedir. Nafionun yüksek iyonik iletkenlik özelliğinin nemliliğe bağlı olması, yüksek sıcaklıklarda ve susuz şartlarda iletkenlik değerlerini önemli ölçüde yitirmesi, yüksek sıcaklık yakıt hücresi uygulamaları için alternatif membran yapılarının geliştirilmesini gerekli kılmaktadır.İyonik sıvılar, son yıllarda organik sentezler, ayırma prosesleri, polimerizasyon ve elektrokimya uygulamalarında kullanılan; yüksek kaynama sıcaklıkları (100oC üzeri) sebebiyle özellikle elektrokimya uygulamalarında dikkat çeken iyonik tuzlardır. Üstün iyonik iletkenlikleri ve iyi ısıl kararlılık özelliği elektrokimyasal uygulamalarda iyonik sıvılara olan ilgiyi artırmaktadır. İyonik sıvılar genellikle asimetrik organik katyonlar ve inorganik anyonlardan meydana gelen yapılardır. Bu sayede uygulama sahasına göre fizikokimyasal ve elektrokimyasal nitelikleri farklı tür anyon-katyon çiftleri kullanılarak, farklı özelliklerde iyonik sıvılar hazırlanabilmektedir.Bu çalışmada yaygın olarak kullanılan perflorosülfonik asit (Nafion) membranlara alternatif olarak yüksek sıcaklığa dayanıklı poliimid (PI) esaslı polimer matrislerine imidazolyum esaslı farklı uzunlukta alkil gruplarına sahip iyonik sıvıların ilavesi ve gerek görüldüğü takdirde asit katkılama (doping) ile yüksek sıcaklık proton iletken membranların hazırlanması amaçlanmıştır. Hazırlanan kompozit membranların geniş bir sıcaklık aralığında proton iletkenlikleri, ısıl ve mekanik özellikleri test edilmiştir.

Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC)s are considered as one of the most promising and environment friendly alternative sources of energy for use in various transport, stationary and portable applications. The main parameter effecting power performance in PEM fuel cells is polymer electrolyte membranes providing proton conductivity. The Nafion perfluorinated ionomeric membrane presently used in the PEMFCs possess high ionic conductivity, good thermal and chemical stability and excellent mechanical strength. PEM fuel cells are generally operated at 80oC under fully hydrated conditions in order to obtain superior fuel cell performance. On the other hand, the problem of poisoning the platinum catalyst by carbon monoxide in low temperature fuel cell applications and high cost while using pure hydrogen as fuel should be solved. It is expected that these benign affects can be eliminated by operation at higher temperatures. Applications of high temperature fuel cell and preparation of alternative membranes are needed due to the strong humidity dependence of proton conductivity of Nafion and sacrificing its proton conductivity under non-aqueous conditions causing lower fuel cell performance.Ionic liquids which are used in organic synthesis, separation processes, polymerization and electrochemical applications are attracting great attentions due to their low melting points and high boiling points above 100oC. These superior properties of ionic liquids cause great increase in electrochemical applications. The ionic liquids generally comprise of asymmetric organic cations and large inorganic anions. The physicochemical and electrochemical properties of ionic liquids can be controlled by choosing appropriate anion and cation couples concerning to application areas.In this study it is aimed to prepare highly proton conductive, thermally and mechanically stable composite polymer electrolyte membranes which are based on different types of polymers such as polyimide and imidazolium based ionic liquids for high temperature PEM fuel cells. When it was needed acid doping will be carried out to achieve high proton conductivity values. Finally, wide range temperature proton conductivities, Methanol barrier properties, thermal stability and mechanical properties of the prepared polymer electrolyte membranes have been tested.