Anyon değiştirici membran yakıt hücreleri için çapraz bağlı polimerik membranların geliştirilmesi

Abstract

Günümüzde enerji taleplerinin artarak devam etmesi, fosil yakıtların tükenmekte oluşu ve kullanılan fosil yakıtların çevreye ve doğaya zarar vermesi bilim insanlarını alternatif enerji kaynak arayışı ve enerji üretim teknolojileri geliştirme çalışmalarına zorunlu bırakmıştır. Yapılan araştırmalar yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı ile çevreye dost teknolojiler geliştirilme üzerine devam etmektedir. Bu bakımdan yakıt hücrelerinin çevreye dost teknolojiler olarak, sera gazlarının salınımına neden olmaması, sessiz çalışması, enerji verimlerinin yüksek oluşu gibi nedenlerle gelecekte hayatımızda daha çok yer kaplayacağı öngörülmektedir.Polimer elektrolit membran yakıt hücreleri (PEMYH) yapı olarak iki sınıfa ayrılmaktadır. Elektrolitin taşıdığı iyon türüne göre OH- iyonu taşıyanlar Anyon Değiştirici Membran YH (ADMYH) ve H+ iyonu taşıyanlar Proton Değiştirici Membran YH (PDMYH) olarak sınıflandırılırlar. ADMYHleri, hücre içi ortamının yüksek pH (alkali) değerinde olması nedeniyle oksijen indirgeme reaksiyonu için pahalı olmayan metal katalizör kullanımına olanak sağlaması, elektrotlar arasında taşınan yakıt miktarının az olması ve su yönetiminin kolay sağlanması nedeniyle son yıllarda en ilgi çeken YH türü olmuştur.Bu tez çalışmasında ADMYH uygulaması için PVA esaslı anyon değişim membranlar iki farklı çapraz bağlama yöntemi ile hazırlanmış ve çapraz bağlama yöntemlerinin uygulanma sırasının ADMYH özellikleri üzerine etkisi incelenmiştir. Isıl ve kimyasal çapraz bağlama yöntemleri uygulanmıştır. Çapraz bağlayıcı olarak literatürde sıkça yeralan glutaraldehit (GA) yerine poli(etilen glikol) diglisidil eter (PEGDGE) kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre çapraz bağlama tekniğinin ve farklı tekniklerin uygulama sırasının membran özelliklerini etkilediği görülmüştür. Önce kimyasal sonra 150ºC'de ısıl çapraz bağlama uygulanarak hazırlanan membranın (PPP150) yüksek iyonik iletkenlik (47 mS/cm), membran seçimlilik (89x104 S.s/cm3) ve yeterli mekanik dayanıma sahip olduğu görülmüştür. Elde edilen sonuçlar, önce PEGDGE ile kimyasal, sonra ısıl olarak çapraz bağlanan PVA esaslı anyon değişim membranların Doğrudan Metanol Alkali Yakıt Hücresi (DMFC) uygulamaları için ümit veren membranlar olarak düşünülebileceğini göstermiştir.

Today, increasing demand for energy, the depletion of fossil fuels and the fact that the fossil fuels used are damaging to the environment and nature, have directed scientists to develop alternative energy sources and energy production technologies. The researches are continuing on the development of environmentally friendly technologies with the use of renewable energy resources. In this respect, it is foreseen that fuel cells will take up more space in our lives in the future due to reasons such as environment friendly technologies, not releasing greenhouse gases, quiet operation and high energy efficiency.Polymer electrolyte membrane fuel cells are divided into two classes. According to the type of ion carried by the electrolyte, the OH-ion being the transferred ion type is classified as anion exchange membrane fuel cell (AEMFC) and the H+ ions being the transferred ion type is classified as proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). AEMFCs this fuel cell type have become the most attractive fuel cell in consequence of (i) providing the use of non-precious catalyst due to the cell media being at high pH, (ii) being lower fuel crossover between electrodes and (iii) being easy water management.In this thesis study, for AEMFC applications, PVA based anion Exchange membranes were prepared by two different crosslinking techniques and the effects of application order of thermal and chemical crosslinking technique on properties of AEM were investigated. Poly(ethylene glycol) diglycidly ether (PEGDGE) was used as a chemical crosslinking agent instead of the commonly used glutaraldehyde (GA). Evaluation of the fuel cell-related properties of the prepared membranes showed that the technique of crosslinking and the application order of techniques affected the properties of membranes. It was found that the membranes prepared by firstly chemical crosslinking and then thermal crosslinking at 150˚C (PPP150) exhibited high ionic conductivity (47 mS/cm), membrane selectivity values (89 x104 S.s/cm3) and sufficient mechanical strength. These encouraging results indicate that AEMs-based on PVA crosslinked by chemical technique with PEGDGE and then thermal technique may be considered as a promising membrane for Direct Methanol Alkaline Fuel Cell (DMFC) applications