Design, characterization and modeling of high temperature proton exchange membranes in dead ended anode operated polymer electrolyte membrane fuel cell

Abstract

Polimer elektrolit membran yakıt hücreleri (PEMFC) artan kirlilik yayılımımızıve fosil yakıtlara bağımlılığımızı azaltma noktalarında çok büyük potansiyelesahiptirler. Fakat, karmaşık sistem yapısı ve yüksek maliyet gibi fakörler yakıthücrelerinin yaygınlaşması önündeki önemli engellerdir.Yakıt hücrelerindeki iki anadezavantajın iyileştirilmesi ve geliştirilmesi bu tezin amacı olmuştur. Bunlaradan birtanesi membran maliyeti ve membranın suya bağımlı iyonik iletlenliği nedeni ilehücresinin düşük çalışma sıcaklığıdır. İkincisi ise yakıt hücresi sisteminin karmaşıkdizaynıdır.Bu tez çalışmasında sentezlenen radyasyon başlatmalı aşı kopolimer membralargeleneksel yakıt pili çalışma sıcaklığını (< 80 °C) 100 °C üzerine çıkarabilmektedir.Bunun yanında sentezlenen yüksek sıcaklık membranların maliyetleri oldukça düşükdürve istenilen boyutlarda kolaylıkla üretilebilmektedir.Anot çıkış kapalı (AÇK) çalışma prensibi, geleneksel yakıt hücresinin karmaşıksistem dizaynına alternatif olarak düşünülmüştür. AÇK çalışma prensibi yakıthücresinin maliyetini, ağırlığını ve hacmini azaltma konularında avantajlara sahiptir.Anot kısmının harici nemlendirmesi ve hidrojenin sirkülasyon komponentlerininsistemden çıkarılması AÇK çalışma ile mümkündür. Bu nedenle, bu tez çalışmasındayakıt hücresi, AÇK çalışacak şekilde modifiye edilmiştir. Ayrıca, AÇK çalışmaprensibinin ticari membrandan kaynaklanan dezavantajlarının, sentezlenen radyasyonbaşlatmalı aşı kopolimer, iyon değişim yüksek sıcaklık membranları ile giderilmesi deyine bu tezin konusudur.Bu çalışmalara ek olarak, zamana bağlı, bir boyutlu ve iki fazlınumerik model çalışması yapılmıştır. Numerik model, ticari membran ile düşük sıcaklıkAÇK prensibinde çalışan iki fazlı suyun incelenmesi için kullanılmıştır. Ayrıca,numerik model sentezlenen yüksek sıcaklık membranının AÇK prensibinde çalışmasınıincelemek için gelecek çalışmalarda kullanılabilecektir.

Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) have the potential to reduceour pollutant emissions and dependence on fossil fuels. Factors such as complexbalance-of-plant design and cost still remain as the major barriers to fuel cell. Theeradication of the two main shortcomings of PEMFC has been targeted in this thesisstudy. The first shortcoming is high cost of the membrane and its water depended lowoperation temperature. The second one is the complex balance-of-plant design ofPEMFC system.The synthesized, radiation grafted, high temperature proton conductingmembrane improves the operation temperature of conventional PEMFC (i.e., <80 °C)up to 120 °C. The novel, high temperature proton conducting membrane eliminates theelectrochemical by product water and improves the overall performance of PEMFC.Moreover, the synthesized, high temperature proton conducting membrane is costcompetitive and very well suited for bulk production in any defined size.The dead ended anode (DEA) operation is considered as an alternative to theconventional PEMFC system. The operation with a DEA reduces fuel cell system cost,weight, and volume since the anode external humidification and recirculation hardwarecan be eliminated. Thus, the conventional PEMFC system is modified according toDEA operation in the study. The shortcomings of the commercial membrane in theDEA operation have been reduced with the synthesized, high temperature protonexchange membrane.Additionally, a transient, one dimensional along the channel numerical model isdeveloped. The model is used to understand the two phase water transport mechanismduring a low temperature DEA operation.