Preparation and characterization of polysulfonenanocomposite membranes for proton exchange membranefuel cells
Proton değişim membranlı yakıt hücreleri için polisülfonnanokompozit membranların hazırlanması vekarakterizasyonu
- Tez No: 985741
- Danışmanlar: DOÇ. DR. NESRİN KÖKEN, DOÇ. DR. BÖRTE KÖSE MUTLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Energy, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Günümüz dünyasında artan enerji ihtiyacı, fosil yakıt rezervlerinin tükenmesi, enerji güvenliği kaygıları ve küresel ısınma gibi çevresel tehditler, yenilenebilir ve sürdürülebilir enerji kaynaklarına olan ilgiyi her geçen gün artırmaktadır. Sanayi devriminden bu yana enerji sistemlerinin karbon yoğun hale gelmesi, çevreye ve canlılara zarar veren sera gazı emisyonlarını önemli ölçüde artırmıştır. Özellikle karbon dioksit ve metan gibi gazların atmosferde birikmesi, iklim değişikliğini tetikleyen başlıca unsurlar arasında yer almaktadır. Bu nedenle, hem karbon ayak izini azaltmak hem de geleceğin enerji ihtiyaçlarını karşılamak için çevre dostu, yüksek verimli ve ekonomik enerji dönüşüm teknolojilerine olan ihtiyaç kritik düzeye ulaşmıştır. Bu bağlamda, hidrojen teknolojileri son yıllarda büyük ilgi görmektedir. Hidrojenin enerji taşıyıcısı olarak kullanılması, doğrudan çevresel emisyon üretmeyen sistemlerin geliştirilmesini mümkün kılmaktadır. Bu teknolojiler arasında öne çıkan Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücreleri (PEMFC), sahip oldukları yüksek enerji verimliliği, modüler yapıları, sessiz çalışmaları ve sıfıra yakın emisyon profilleri sayesinde hem taşımacılık hem de sabit enerji üretim uygulamaları açısından umut vaat etmektedir. PEMFC'ler, hidrojen gazını yakıt olarak kullanarak doğrudan elektrik enerjisine dönüştürürler. Bu dönüşüm sırasında yalnızca su buharı ve az miktarda ısı açığa çıkar, bu da sistemi son derece çevre dostu hale getirir. Ayrıca düşük çalışma sıcaklıkları sayesinde hızlı başlatma özellikleriyle taşınabilir sistemlerde de etkin bir biçimde kullanılabilirler. PEMFC'lerin işleyişinde en kritik bileşenlerden biri, sistemin kalbinde yer alan proton değişim membranlarıdır (PEM). Bu membranlar, anot tarafında hidrojenin ayrışması sonucu açığa çıkan protonların, elektronlardan ayrılarak katot tarafına geçmesini sağlar. Elektronlar ise harici bir devre üzerinden geçerek elektrik akımı oluşturur. Bu sırada membran, yalnızca protonların geçişine izin verirken, hidrojen ve oksijen gibi reaktif gazların birbirine karışmasını önleyerek yakıt hücresinin güvenli ve verimli bir şekilde çalışmasına katkıda bulunur. Dolayısıyla, yüksek proton iletkenliği, düşük gaz geçirgenliği, kimyasal ve mekanik stabilite ile geniş sıcaklık aralığında çalışabilirlik bir PEM'in sahip olması gereken temel özelliklerdir. Günümüzde ticari olarak en yaygın kullanılan PEM'ler, perflorosülfonik asit (PFSA) bazlı polimerlerden üretilmektedir. Bu sınıfa ait en bilinen örnek Nafion'dur. Nafion, DuPont tarafından geliştirilen, yüksek kimyasal kararlılığa, yüksek proton iletkenliğine ve uzun ömürlü yapıya sahip bir malzeme olup PEMFC teknolojilerinde bir endüstri standardı haline gelmiştir. Ancak, yüksek üretim maliyeti, sınırlı çalışma sıcaklık aralığı (genellikle 80 °C altı) ve yüksek sıcaklıklarda nem kaybı nedeniyle performans düşüşü gibi bazı önemli dezavantajlara sahiptir. Nafion'un yüksek fiyatı, özellikle yaygın uygulamalar açısından teknolojinin ekonomik fizibilitesini kısıtlamaktadır. Bu sebeplerle, daha düşük maliyetli, çevre dostu, yüksek sıcaklık dayanımlı ve performans açısından rekabetçi alternatif PEM malzemelerinin geliştirilmesi bilimsel araştırmaların öncelikli hedeflerinden biri haline gelmiştir. Bu doğrultuda, hidrokarbon esaslı polimerler, biyobazlı polimerler, inorganik-organik hibrit sistemler ve nanokompozit yapılar gibi birçok farklı malzeme sınıfı üzerine yoğun araştırmalar yürütülmektedir. Hidrokarbon esaslı sülfonlanmış aromatik polimerler (örneğin sülfonlanmış polieter sülfon (SPES), sülfonlanmış polisülfon (SPSU) gibi), termal ve kimyasal dayanımları, yapı üzerinde fonksiyonel grupların kolayca modifiye edilebilmesi ve üretim maliyetlerinin daha düşük olması sayesinde alternatif PEM adayları arasında yer almaktadır. Bununla birlikte, bu polimerlerin proton iletkenliği genellikle PFSA'lara göre daha düşüktür. Bu durumu iyileştirmek için çeşitli katkı maddeleri (örneğin, grafen oksit, inorganik nanoparçacıklar, metal- organik kafes yapılar) kullanılmakta, aynı zamanda üretim teknikleri optimize edilerek membran morfolojileri üzerinde kontrol sağlanmaya çalışılmaktadır. Bu çalışmanın temel amacı, ticari PEM'lere alternatif olabilecek, düşük maliyetli ve yüksek performanslı yeni membranların geliştirilmesidir. Bu hedef doğrultusunda üç farklı üretim yöntemi tercih edilmiştir: Film döküm (film casting), buharlaşma kaynaklı faz ayrımı (EIPS) ve elektroeğirme (electrospinning). Film döküm yöntemi, daha düzenli, kontrollü kalınlıkta ve homojen yapıda membranlar elde edilmesine imkân tanır. EIPS yöntemi ise faz ayrımı mekanizması sayesinde polimerler arası morfolojinin daha iyi kontrol edilmesine olanak tanır ve böylece istenen fiziksel özelliklerin optimize edilmesini sağlar. Elektroeğirme yöntemi ise yüksek yüzey alanına sahip nanolifli yapılar oluşturulmasına olanak tanıyarak proton taşınım yollarının artırılmasını sağlar. Bu yapı, aynı zamanda su ve gaz yönetimi açısından da avantaj sağlayarak membran performansını olumlu yönde etkiler. Çalışmada kullanılan polimer matrisleri arasında SPSU, SPES ve Aquivion iyonomer yer almaktadır. Bu polimerler, sülfonik asit gruplarının varlığı sayesinde proton taşıyıcı özellik gösterirler. SPSU ve SPES gibi aromatik yapıdaki sülfonlanmış polimerler, termal ve kimyasal dayanıklılıkları nedeniyle dikkat çekmektedir. Aquivion ise kısa yan zincirli yapısıyla su tutma kapasitesi ve proton iletim kabiliyeti bakımından öne çıkmaktadır. Katkı maddesi olarak grafen oksit (GO) ve Fe3O4@SiO2@NH2-SO3H (FSNS) tercih edilmiştir. GO, yüksek mekanik dayanıklılık, büyük yüzey alanı ve fonksiyonel gruplar sayesinde proton iletim yollarını genişleterek membranın genel performansını artırabilir. FSNS nanoparçacıkların ise protonik gruplarla fonksiyonlandırılarak hem iletkenlik hem de yapısal bütünlük açısından katkı sağlaması beklenmektedir. Deneysel çalışmalarda farklı polimer ve katkı maddesi oranları kullanılarak çok sayıda membran örneği hazırlanmıştır. Bu örnekler, proton iletkenliği ve aynı zamanda test ortamı 80 oC olduğundan termal kararlılık, yüzey morfolojisi, ve dinamik mekanik analiz gibi çeşitli analizlere tabi tutulmuştur. Bu ölçümler sonucunda, Aquivion (H-1) membranının literatürdeki pek çok çalışmanın üzerinde, 615.46 mS/cm gibi dikkat çekici bir proton iletkenliği sunduğu belirlenmiştir. Bu değer, özellikle yüksek performanslı ve geniş sıcaklık aralığında çalışması beklenen yakıt hücreleri için büyük bir avantajdır. SPSU ve PES polimerlerinin belirli oranlarda karıştırılmasıyla elde edilen membranlarda ise sırasıyla 1.3 mS/cm ve 1.08 mS/cm iletkenlik değerleri elde edilmiştir. Bu değerler Aquivion'a kıyasla çok daha düşük olsa da, mekanik açıdan bu membranlar daha iyi performans göstermiştir. Bu iki uç özellik mevcut çalışmada Aquivion, SPSU ve GO katkısı maddesi ilavesi ile birleştirilerek optimal bir performans gösteren PEM elde edilmiştir. Membranların morfolojik yapıları taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak incelenmiştir. Elektroeğirme yöntemiyle üretilen membranların lifli yapısı, proton ve su taşınım yollarını kolaylaştırmakta ve gazların membran boyunca homojen şekilde yayılmasına katkıda bulunmaktadır. Film döküm ve EIPS yöntemleriyle elde edilen membranlar ise daha homojen yüzey yapısı sunmakta, fakat lifli yapılara göre daha sınırlı proton taşıma yüzeyine sahip olmaktadır. Yapılan çalışmalarda sadece proton iletkenliği değil, aynı zamanda mekanik ve termal kararlılık gibi performans kriterleri de dikkate alınmıştır. Özellikle yüksek sıcaklık koşullarında membranların stabilitesi önem arz etmekte olup, alternatif membranlar bu tür koşulda bu koşulda proton iletkenlik analizlerinde değerlendirilmiştir. Bu parametrelerin bir arada değerlendirilmesi, geliştirilen PEM'lerin yakıt hücresi ortamında karşılaşabileceği çeşitli çalışma koşullarına ne derece dayanıklı olduklarını anlamada kritik rol oynamaktadır. Özetle bu çalışma, alternatif PEM materyallerinin üretimi ve karakterizasyonu açısından önemli bulgular sunmuştur. Ayrıca, membranların gerçek yakıt hücresi çalışma ortamlarında test edilerek uzun süreli performansları hakkında veri elde edilmesi önem arz etmektedir. Bu sayede, geliştirilen yeni nesil membranların ticari ürünler ile karşılaştırılması mümkün olacak ve yakıt hücreleri teknolojisinin daha erişilebilir ve yaygın hale gelmesine katkı sağlanacaktır. Uzun vadede, düşük maliyetli, çevre dostu ve yüksek verimli PEM'lerin geliştirilmesiyle enerji sektöründe büyük bir dönüşüm yaşanabilir. Sonuç olarak, PEMFC sistemlerinin gelişimi için PEM malzemelerindeki yenilikler kilit rol oynamaktadır. Bu çalışmada elde edilen veriler ve gözlemler, gelecekteki araştırmalar için yol gösterici nitelikte olup, sürdürülebilir enerji teknolojilerinin yaygınlaştırılmasına katkıda bulunmayı hedeflemektedir.
Özet (Çeviri)
Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) play a crucial role in renewable energy production, standing out with their high efficiency and low emissions. At the heart of PEMFCs, proton exchange membranes (PEMs) enable proton transport while separating hydrogen and oxygen gases, thus making electricity generation possible. These membranes allow proton conduction while preventing the direct passage of electrons and gases, ensuring electrical insulation and contributing to the controlled progress of reactions. PEMs) with superior chemical stability and low electrical resistance contribute significantly to the operational lifespan and reliability of fuel cells. Owing to these advantages, PEM fuel cells (PEMFCs) can be employed in diverse areas, ranging from small-scale portable electronics to large stationary power generation systems. Among the most common PEM materials are perfluorosulfonic acid (PFSA) membranes, including well-known commercial products such as Nafion and Aquivion. Despite their widespread use, these membranes face certain drawbacks, including their relatively high production costs and a decline in performance when operated at elevated temperatures. Therefore, the development and production of PEMs with a wider operational temperature range, higher conductivity, lower cost, and superior performance remain a priority in the scientific community. In this study, the aim was to produce alternative PEMs to commercial ones using film casting, evaporation induced phase seperation (EIPS) and electrospinning methods. Sulfonated Polysulfone (SPSU), sulfonated Polyethersulfone (SPES), and Aquivion ionomer were used as polymers, while Graphene Oxide (GO) and Fe₃O₄@SiO₂@NH₂– SO₃H (FSNS) were employed as additive, and the effects of different combinations of these materials on proton conductivity were compare. A proton conductivity of 615.46 mS/cm, which is quite high compared to literature values, was obtained from the membrane produced with Aquivion. In contrast, conductivity values of 1.3 mS/cm and 1.08 mS/cm were recorded for SPSU and PES polymers mixed in different ratios. A membrane with more optimal performance in terms of both mechanical and conductivity properties was produced by combining highly conductive Aquivion, mechanically stable SPSU polymers, and GO as an additive. In the conclusion and recommendations section, the obtained PEM was compared with the commercially used Nafion membrane.
Benzer Tezler
- The production of polymer/nanocomposite proton conducting membranes for polymer electrolyte membrane fuel cell (pemfc) applications
Proton iletken membran yakıt hücreleri uygulamarı için proton iletken polimer/nanokompozit membranların üretilmesi
AYŞE ASLAN
- Fabrication and characterization of support layer for thin film nanocomposite desalination membranes
İnce film nanokompozit desalinasyon membranları için destek tabakası üretimi ve karakterizasyonu
KADER ÖZGÜR
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET GÖKTUĞ AHUNBAY
- Biomimetic approaches for the fabrication of hollow fiber nanofiltration membranes
Biyomimetik yaklaşımlarla içi boşluklu nanofiltrasyon membran üretimi
REYHAN ŞENGÜR TAŞDEMİR
Doktora
İngilizce
2018
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Preparation and characterization of nanocomposite foams based on polysulfone and graphene nanoparticles
Polisülfon ve grafen nanoplaka içeren nanokompozit köpüklerin üretimi ve karakterizasyonu
MUSTAFA KEREM YÜCETÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SÜHEYLA AYDIN
- Development of novel thermal conductive polymer nanocomposites
Yeni nesil termal iletken polimer nanokompozitlerin geliştirilmesi
ELİFTEN SEMERCİ
Doktora
İngilizce
2021
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN KIZILCAN
DOÇ. DR. TUBA ERDOĞAN BEDRİ