Proton değişim membranlı yakıt hücreleri için TİO2 ve Co3O4 nanopartikül katkılı polimer nanokompozit membranların geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of polymer nanocomposite membranes doped with TİO2 and Co3O4 nanoparticles for proton exchange membrane fuel cells
- Tez No: 1003290
- Danışmanlar: PROF. DR. HÜSEYİN BAYRAKÇEKEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Otomotiv Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Energy, Automotive Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Afyon Kocatepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Günümüzde artan enerji talebi ve çevresel sorunlar, fosil yakıtların sınırlı kaynakları ve yol açtığı kirletici emisyonlar, sürdürülebilir ve temiz enerji çözümlerine olan ihtiyacı artırmıştır. Bu nedenle, sıfır karbonlu hidrojen enerjisi, çevre dostu ve verimli bir enerji kaynağı olarak ön plana çıkmaktadır. PEM yakıt hücreleri, hidrojen ve oksijenin elektrokimyasal reaksiyonu ile doğrudan elektrik üretme kabiliyeti sayesinde, düşük basınç ve sıcaklık koşullarında çalışabilen ve birçok farklı uygulama alanında kullanılabilen önemli bir teknolojidir. PEM yakıt hücrelerinde yaygın olarak kullanılan ticari Nafion membranlar, üstün proton iletkenliği ve kimyasal kararlılıkları ile yeterli performans sağlasa da, yüksek maliyetleri ve çevresel etkileri nedeniyle alternatif malzeme arayışları hız kazanmaktadır. Bu doğrultuda, farklı polimerlerin avantajlı özelliklerini bir araya getirerek membran performansını artırmak amacıyla blend membranlar geliştirilmekte, ayrıca bu membranların fonksiyonel özelliklerini iyileştirmek için nanomalzemeler kullanılmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında, SPSf ve PSAN polimerlerinin yanı sıra TiO2 ve Co3O4 nanopartiküllerinin PEM yakıt hücresi membranlarında kullanımı detaylı olarak incelenmiştir. Sentezlenen alternatif PEM yakıt hücresi membranlarının karakterizasyon sürecinde, membranlara ait su tutma kapasitesi, şişme oranı, iyon değişim kapasitesi, sülfonasyon derecesi ve aktivasyon enerjisi değerleri belirlenmiş; temas açısı ölçümleri yapılmış; mekanik dayanım ve Fenton reaksiyonu testleri gerçekleştirilmiş; EIS, SEM, EDX, 1H-NMR, FTIR, TGA, DSC, XRD ve üç boyutlu optik profilometre analizleri yürütülmüştür. Çalışmanın ilk aşamasında, PSf polimerinin fonksiyonelleştirilmesiyle elde edilen SPSf polimeri ve PSAN polimeri farklı oranlarda karıştırılarak katkısız kompozit blend membranlar (SPSf/PSAN) sentezlenmiş ve karakterize edilmiştir. SPSf/PSAN membranların karakterizasyonu sonucunda, SP50/PS50 membranın yüksek proton iletkenliği, geliştirilmiş mekanik dayanımı, uygun kimyasal ve termal kararlılık özellikleri nedeniyle en uygun polimer karışım oranı ağırlıkça %50 SPSf + %50 PSAN olarak belirlenmiştir. Ardından, belirlenen polimer karışım oranındaki membran matrisine çeşitli oranlarda TiO2 ve Co3O4 nanopartiküller ilave edilerek nanomalzeme katkılı kompozit blend membranlar (SPSf/PSAN/TiO2 ve SPSf/PSAN/Co3O4) üretilmiş ve karakterize edilmiştir. Karakterizasyon işlemleri sonucunda SPSf/PSAN/TiO2 ve SPSf/PSAN/Co3O4 membranlar üstün boyutsal, mekanik, termal, kimyasal kararlılık özellikleri ve geliştirilmiş proton iletkenliği gibi önemli avantajlar sergilemiştir. Özellikle TiO2 nanopartikülleri, membranların dayanıklılığını ve su yönetimini destekleyerek yakıt hücresi performansını artırırken Co3O4 nanopartikülleri membranların katalitik özelliklerine olumlu katkıda bulunmuştur. Bu çok yönlü sentez ve karakterizasyon işlemleri sonucunda, SPSf ve PSAN polimerlerinin yanı sıra TiO2 ve Co3O4 nanopartikülleri ile oluşturulan alternatif PEM yakıt hücresi membranlarının, üstün performans ve dayanıklılık özellikleri sunduğu ve gelişmekte olan yakıt hücresi teknolojileri için umut vadeden bir potansiyel taşıdığı açıkça ortaya koyulmuştur.
Özet (Çeviri)
Today's growing energy demand and environmental issues, limited fossil fuel resources, and the polluting emissions they cause have increased the need for sustainable and clean energy solutions. For this reason, zero-carbon hydrogen energy is emerging as an environmentally friendly and efficient energy source. PEM fuel cells are an important technology that can operate under low-pressure and temperature conditions and be used in a wide range of applications, thanks to their ability to directly generate electricity through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. Commercial Nafion membranes, widely used in PEM fuel cells, provide adequate performance with their superior proton conductivity and chemical stability. However, due to their high cost and environmental impact, the research for alternative materials is gaining momentum. In this context, blend membranes are being developed to enhance membrane performance by combining the advantageous properties of different polymers, and nanomaterials are being used to improve the functional properties of these membranes. Within the scope of this thesis study, the use of SPSf and PSAN polymers, as well as TiO2 and Co3O4 nanoparticles, in PEM fuel cell membranes has been examined in detail. During the characterization process of the synthesized alternative PEM fuel cell membranes, the water uptake capacity, swelling ratio, ion exchange capacity, degree of sulfonation, and activation energy values of the membranes were determined; contact angle measurements were performed; mechanical strength and Fenton reaction tests were conducted; EIS, SEM, EDX, 1H-NMR, FTIR, TGA, DSC, XRD, and three-dimensional optical profilometer analyses were conducted. In the first phase of the study, SPSf polymer obtained by functionalizing PSf polymer and PSAN polymer were mixed at different ratios to synthesize and characterize composite blend membranes (SPSf/PSAN). As a result of the characterization of the SPSf/PSAN membranes, the optimal polymer mixture ratio was determined to be 50% SPSf + 50% PSAN by weight, due to the SP50/PS50 membrane's high proton conductivity, improved mechanical strength, and suitable chemical and thermal stability properties. Subsequently, composite blend membranes (SPSf/PSAN/TiO2 and SPSf/PSAN/Co3O4) were produced and characterized by adding TiO2 and Co3O4 nanoparticles at various ratios to the membrane matrix with the determined polymer blend ratio. SPSf/PSAN/TiO2 and SPSf/PSAN/Co3O4 membranes have demonstrated significant advantages such as high dimensional, mechanical, thermal, chemical stability properties and improved proton conductivity as a result of characterization processes. In particular, TiO2 nanoparticles enhance fuel cell performance by supporting membrane durability and water management, while Co3O4 nanoparticles positively contribute to the catalytic properties of membranes. As a result of these multifaceted synthesis and characterization processes, it has been clearly demonstrated that alternative PEM fuel cell membranes created with SPSf and PSAN polymers, along with TiO2 and Co3O4 nanoparticles, offer superior performance and durability characteristics and hold promising potential for developing fuel cell technologies.
Benzer Tezler
- Yakıt hücrelerinde kullanmak üzere nanokompozit membran sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of nano composite membrane for the fuel cells
ALPAY ŞAHİN
Doktora
Türkçe
2013
Kimya MühendisliğiGazi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İRFAN AR
- Mikrobiyal yakıt hücrelerinde kullanılmak üzere polimerik blend membran sentezi
Polymeric blend membrane synthesis for microbial fuel cells
SEMA TUĞÇE BAYKARA
- Proton değişim membranlı yakıt hücreleri için grafen oksit katkılı kompozit elektrolitlerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of graphene oxide doped composite electrolytes for proton exchange membrane fuel cells
ESRA ÇOBAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Kimya MühendisliğiYalova ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MESUT YILMAZOĞLU
- Preparation and characterization of polysulfonenanocomposite membranes for proton exchange membranefuel cells
Proton değişim membranlı yakıt hücreleri için polisülfonnanokompozit membranların hazırlanması vekarakterizasyonu
BATUHAN SADIKSÖZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NESRİN KÖKEN
DOÇ. DR. BÖRTE KÖSE MUTLU
- Uzay uygulamalarına yönelik proton değişim membranlı yakıt hücreleri sıvı soğutma akış alanının tasarımı ve termal analizi
Liquid cooling flow field design and thermal analysis of proton exchange membrane fuel cell for space applications
NEHİR ATASAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Havacılık ve Uzay MühendisliğiMilli Savunma ÜniversitesiHarp Silah ve Araçları Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPASLAN ATMANLI