Proton İletken Polimer Metal Organik Kafes Yapılar İçeren Kompozit Membranlar

Abstract

Proton değişim membranlı yakıt hücreleri (PDMYH), düşük sera gazı emisyonları, yüksek verimlilikleri, farklı yakıt seçenekleri ve düşük bakım maliyetleri nedeniyle yeni enerji kaynağı arayışında üzerine en çok çalışma yapılan alanlardan biridir. Bu yüzden, PDMYH'leri geleneksel güç üreticilerinin yerine geçebilecek en potansiyel aday konumundadır. Proton değişimli membran (PDM) bir yakıt hücresinin en temel parçasıdır. Halihazırda Nafion® ve PBI yakıt hücrelerinde sıklıkla kullanılan malzemelerdir. Yüksek proton iletkenliğine sahip, iyi kimyasal ve mekanik kararlılığa sahip, üretim maliyetleri düşük olan yeni PDM'lerin üretilememesi PDMYH'lerin ticarileşmesinin önündeki en büyük engellerden biridir. Bu tezde ilk defa, zeolitik imidazol çerçeve yapıları (ZIF) içeren iki tür yeni proton değişimli kompozit membranlar üretildi. Çalışmanın ilk bölümünde, polivinil alkol (PVA), poli-2-akrilamit- 2-metil propan sülfonik asit (PAMPS) ve ZIF-8'den oluşan, 3 bileşenli kompozit membranlar, çalışma sıcaklığı 100 0C altında olan yakıt hücreleri için üretildi. Nafion'un kimyasal yapısına benzetilerek üretilen bu membranların yapısal analizleri yapıldı ve proton ilektenlikleri elektrokimyasal impedans spektroskobisi ile yapıldı. Bu membranlardan ağırlıkça 55 PVA/40 PAMPS/5 ZIF-8 kompozisyona sahip olan membran, %100 nemli olarak 800C'de 0.13 S cm-1 büyüklüğünde bir proton iletkenlik değerine sahiptir. Bu değer literatürde yer alan, aynı koşullarda Nafion®'nun sahip olduğu iletkenlik değerinden yüksektir. Bu çalışmanın ikinci bölümünde ise, çalışma sıcaklık aralığı 100-200 0C aralığında olan yüksek sıcaklık proton değişim membranlı yakıt hücresinde kullanılabilecek kompozit membranlar üretilmiştir. Bu kompozit membranlar matris malzeme olarak polibenzimidazol (PBI) kullanılırken, ZIF-8 nano parçacıkları ise takviye malzemesi olarak kullanılmıştır. Farklı kompozisyonlarda üretilen bu membranlarda ise ağırlıkça 12.5 ZIF-8/PBI kompozisyona sahip olan membran nemsiz ortamda, 160 0C' de 0.0045 S cm-1 proton iletkenlik değerine sahiptir. Bu değer PBI'ın aynı koşullar altında ölçülen iletkenliği ile karşılaştırılabilir bir değerdir. Anahtar kelimeler: Proton değişim membranlı yakıt hücreleri, PVA, PAMPS, PBI, ZIF- 8

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are one of the most innovative research areas in search of novel power sources, especially because of their no to low greenhouse gas emissions, high efficiency, diverse fuel options and low maintenance costs. Hence, PEMFCs are regarded as one of the potential alternatives for the conventional power generators. Proton exchange membrane (PEM) is the core component of the PEMFC. Still, Nafion® and PBI are the commonly used membrane materials in fuel cell technology. The development of novel PEMs with high proton conductivity, good mechanical and chemical stability and cost-effective manufacturing remain as obstacles for the commercialization of PEMFCs. In this thesis for the first time, we present preparation and characterization of two types of novel composite proton exchange membranes which consist of zeolitic imidazolat framework-8 (ZIF-8). In the first part of this study, consisting of poly(vinyl alcohol) (PVA), poly(2- acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid) (PAMPS) and zeolitic imidazolat framework-8 (ZIF-8) ternary Nafion-like composite membranes were prepared with different composition to use in the PEMFCs which of their operation temperatures below 100 0C. All of the membranes were structurally characterized and their proton conductivities were measured by electrochemical impedance spectroscopy. The fully hydrated membrane with 55 PVA/40 PAMPS/5 ZIF-8 composition shows the highest proton conductivity with about 0.13 S cm-1 at 80 0C and the result thus obtained is comparable to the proton conductivity value of the Nafion in the literature. The aim of second part of this study is the preparing of membranes for high temperature proton exchange fuel cells (HTPEMFCs), which operate between 1 00-200 0C, the binary mixed membrane were manufactured incorporation of PBI and ZIF-8. In the membrane PBI was used as host polymer whereas ZIF-8 is used as filler material. Among the structurally well-characterized membranes, the membrane with 12.5 ZIF-8/PBI membrane has the highest proton conductivity with about 0.0045 S cm-1 at 160 0C under anhydrous condition. Keywords: Proton exchange membrane fuel cells, PAMPS, PVA, PBI, ZIF-8,