Tez özetleri Astronomi ve Uzay Bilimleri Anabilim Dalı

Serpil YILMAZTÜRK

Danışman : Doç. Dr. Hüseyin DELİGÖZ

Anabilim Dalı : Kimya Mühendisliği

Programı : Kimyasal Teknolojiler

Mezuniyet Yılı : 2009

Tez Savunma Jürisi : Doç. Dr. Hüseyin DELİGÖZ (Danışman, İ.Ü.)

Prof. Dr. Ahmet KAŞGÖZ (İ.Ü.)

Doç. Dr. Gülten GÜRDAĞ (İ.Ü.)

Doç. Dr. Cemal ÖZEROĞLU (İ.Ü.)

Yrd. Doç. Dr. M. A. Faruk ÖKSÜZÖMER (İ.Ü.)

Yakıt Hücreleri İçin Tabakalı Kaplama Yöntemi İle Polimer Elektrolit Membranların Geliştirilmesi

Son yıllarda, tüm dünyada temiz ve sürdürülebilir enerjiye olan ihtiyacın sürekli artış göstermesi, kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yakıt hücrelerine olan ilgiyi büyük oranda artırmış ve bu konuda önemli gelişmeler kaydedilmiştir.

Günümüzde, özellikle taşıtlar, cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar gibi yüksek güç yoğunluğu gerektiren uygulamalarda polimer elektrolit membran yakıt hücreleri (PEMFC) ve doğrudan metanol yakıt hücreleri (DMFC) tercih edilmektedir. Bu tip yakıt hücrelerinde; yaygın olarak yüksek proton iletkenliği, iyi kimyasal ve ısıl kararlılık özelliklerinden dolayı Nafion gibi perflorosülfonik polimerler membran elektrolit olarak tercih edilmektedirler. Ancak DMFC uygulamalarında, ticari Nafion membran boyunca anottan katota doğru gerçekleşen yüksek metanol geçişi hücre performansını önemli ölçüde azaltmaktadır. Bu nedenle, proton iletkenliği değerini değiştirmeksizin, metanol geçişini azaltmak için Nafion membranların modifikasyonu üzerine birçok çalışma yapılmaktadır.
Tez çalışmalarında; Nafion membran üzerinde çok tabakalı üstün metanol bariyer özellik gösteren polielektrolit komplekslerin Tabakalı Kaplama Yöntemi (Layer-by-Layer, LbL) kullanılarak oluşturulması ve membran seçimlilik değerlerinin artırılması hedeflenmektedir. Bu amaçla, polielektrolit çözelti konsantrasyonu, pH değeri, daldırma zamanı, farklı polielektrolit türü, polielektrolit çözeltilerine tuz ilavesi ve farklı membran destek tipi gibi kaplama koşullarının, hazırlanan LbL kompozit membranların proton iletkenliği (σ) ve metanol geçirgenliğine etkileri detaylı biçimde incelenmiştir. Ek olarak, polielektrolit tabakalarındaki yük içeriğinin ve iyon formu türünün de membran seçimliliği üzerine etkileri araştırılmıştır. Membran destek üzerine kaplanan çoklu tabakaların oluşumu UV-vis spektrofotometresi ile takip edilmiş ve Nafion membranın her iki yüzeyinde de çoklu tabakaların kaplama sayısına bağlı olarak lineer bir şekilde geliştiği tespit edilmiştir. LbL kompozit membranların hücre performans karakterizasyonu ve kaplama koşullarının optimizasyonu için, hazırlanan kompozit membranların proton iletkenlikleri oda sıcaklığında, su içerisinde Empedans Analiz cihazı ile geniş bir frekans aralığında ölçülmüştür. Metanol geçirgenlik testleri ise camdan yapılmış özel bir difüzyon düzeneğinde 30 saat süreyle ölçüm alınarak gerçekleştirilmiştir. Hazırlanan kompozit membranların ısıl dayanım özellikleri TG-DTA analizi ile incelenerek, orijinal Nafion membran ile karşılaştırmalı olarak tartışılmıştır. Yapılan analizler sonucunda, kaplama koşullarının ve yüzey özelliklerinin kompozit membranların proton iletkenliği ve metanol bariyer özellikleri üzerinde oldukça önemli bir etkiye sahip oldukları, kaplama koşullarının değişimiyle bu özelliklerin geliştirilebileceği tespit edilmiştir. Polialilamin hidroklorit/polistiren sülfonik asit sodyum tuzu (PAH/PSS) model sistemine ait optimizasyon denemelerinde, tabaka kalınlığının, yük yoğunluğu ve türünün hazırlanan kompozit membranın proton iletkenliği, metanol geçirgenliği ve ısıl dayanım özelliklerine etki eden en önemli parametreler olduğu saptanmıştır. 0,1M NaCl içeren polielektrolit çözeltilerinden hazırlanan kompozit membranlarda, tabakadaki iyon türünün H⁺ formuna çevrilmesi ile, orijinal Nafion membrana göre yaklaşık 2-3 kat daha yüksek σ değeri sergilediği, metanol bariyer özelliğinin ise %25-29 aralığında geliştirildiği belirlenmiştir. Ayrıca tuz içeren yüksek yük yoğunluğuna sahip anyonik polielektrolitin (Polivinil sülfat potasyum tuzu-PVS) kullanılması ile hazırlanan kompozit membranın orijinal Nafion membrana göre, metanol bariyer özelliğinin %43 oranında iyileştirildiği ve yaklaşık 3 kat daha yüksek σ değerine sahip olduğu tespit edilmiştir. Yakıt hücresi performansı için önemli bir kriter olan membran seçimliliğinin (proton iletkenliği/metanol geçirgenliği oranı) LbL kaplama yöntemi ile geliştirilen bu kompozit membranlarda, Nafion^®117 membrana göre 3-4 kat iyileştirildiği sonucuna varılmıştır.