Silika aerojel katkılı membranların PEM yakıt pilinde kullanımı
Utilization of silica aerogel doped membranes in PEM fuel cell
- Tez No: 993116
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HATİCE BAYRAKÇEKEN, PROF. DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN YURTCAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Atatürk Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Amaç: Silika aerojel katkılı membranlar membran dayanıklılığını artırma açısından proton değişim membranlı yakıt pillerinin (PEMFC) pratik uygulamaları için kullanılması düşünülen malzemelerdendir. Proton değişim membran alanında temel hedef, yüksek proton iletkenliğine sahip ve aynı zamanda iyi mekanik özelliklere sahip membranlar geliştirmektir. Bu tez çalışmasında, PEM yakıt pili membranı olarak kullanılan Nafion'un mekanik özelliklerinin ve yakıt pili performansının iyileştirilmesi için Nafion membrana silika aerojel (SA) katkılanmıştır. Silika aerojel sentezi için ülkemizde bolca bulunan perlit, silika kaynağı olarak kullanılmış ve sentez sırasında ortam koşulları değiştirilerek farklı yapısal özelliklere sahip silika aerojellerin sentezi yapılmıştır. Sentezlenen farklı silika aerojel yapıları Nafion membrana katkılanarak elde edilen membranlar ile yakıt pili performansının artırılması amaçlanmıştır. Farklı pH ortamlarında silika aerojeller sentezlenmiş, karakterize edilmiş ve bu malzemeler kütlece %1,25, 2,5, 5 ve 10 oranlarında Nafion çözeltisine katkılanarak silika aerojel katkılı farklı Nafion membranlar hazırlanmıştır. Bu membranlarla, katkısız el yapımı ve ticari membran karşılaştırılarak PEM yakıt pili performansında ve membran dayanıklılığında SA katkılamanın etkisi değerlendirilmiştir. Yöntem: Yüksek proton iletkenliğine sahip ve aynı zamanda mekanik dayanımı iyi olan membranlar elde edebilmek amacıyla silika kaynağı olan perlitten sol-jel yöntemi kullanılarak farklı pH koşullarında silika aerojeller sentezlenmiştir. Sentezlenen silika aerojeller fiziksel olarak; azot adsorpsiyon/desorpsiyon izotermleri (BET analizi), XRD, TGA, FTIR, SEM-EDS ve TEM ile karakterize edilmiştir. Sonrasında sentezlenen silika aerojeller kullanılarak kütlece; %1,25, 2,5, 5 ve 10 oranlarında SA içeren membranlar hazırlanmıştır. Bu membranlardan en iyi sonucu veren membrana az da olsa yakıt geçişini engellemek için mikrodalga ısıtma yöntemiyle sentezlenen silika aerojel destekli Pt katalizörü (Pt/SA) eklenerek kompozit membranlar hazırlanmıştır. SA ve/veya Pt/SA katkılı kompozit membranların; temas açısı ölçümleri, su tutma kapasiteleri, iyon değiştirme kapasiteleri, iyonik iletkenlik ölçümleri, gerilme-mukavemet mekanik testleri yapılmıştır. Ayrıca hazırlanan membranların PEM yakıt pili testleri yapılmıştır. Bulgular: Silika aerojel katkılı membranlarda katkısız el yapımı membranlara göre yapısal bir değişim gözlemlenmiştir. Farklı pH ortamlarında sentezlenen silika aerojellerin BET yüzey alanlarının pH arttıkça azaldığı ve XRD sonuçlarından amorf bir yapıya sahip oldukları gözlenmiştir. Üretilen farklı pH ortamlarındaki silika aerojellerin BET yüzey alanları S1>S3>S2>S4 şeklinde olmasının sebebi sol-jel yöntemiyle üretilen silika aerojellerin asidik ortamda hidrolizinin baskın olmasından dolayı çok küçük silika parçacıkları yani yüksek yüzey alanı oluşturması; bazik ortamda ise kondensasyonun baskın olması nedeniyle gözeneklerin büyümesi ve aglomeratların oluşması sonucu yüzey alanının düşük olmasından dolayıdır. Kütlece %1,25, 2,5, 5 ve 10 oranlarında SA içeren membranların temas açısı ölçümlerinde aynı oranda hazırlanan membranların ince veya kalın olma durumuna göre değişiklik olduğu gözlenmiştir. Kalınlık azaltıldığında hidrofobiklik artmıştır. Ayrıca membrandaki silika aerojel miktarı arttıkça hidrofobikliğin ve iyon değiştirme kapasitelerinin azaldığı ama su tutma kapasitesinin arttığı gözlenmiştir. Deney sonuçları katkılamanın membranın mukavemetini artırdığını göstermiştir. Yakıt pili performansları incelendiğinde kalın membranların ince membranlara göre daha iyi sonuç verdiği gözlenmiştir. %2,5 S1 içeren kalın membranın 148,53 mA/cm2, %2,5 S3 içeren kalın membranın 112,92 mA/cm2 aynı zamanda %2,5 S1 içeren ince membranın 98,41 mA/cm2 ve %2,5 S3 içeren ince membranın 76,2 mA/cm2 akım yoğunluğuna sahip olduğu görülmüştür. Sonuç: %1,25, % 2,5 SA ve Pt/SA katkılı Nafion membranların PEM yakıt pillerinde kullanımı, hem pil performansı hem de mekanik dayanım ve hidrofobiklik açısından avantaj sağlamıştır. Katkısız el yapımı Nafion membran ile 33,33 mA/cm2 akım yoğunluğu elde edilirken hem Pt/SA katkılı membran ile 153,74 mA/cm2 hem de %2,5 S1 katkılı membran ile 148,53 mA/cm2 şeklinde el yapımı membrandaki değerin yaklaşık 4,5 katı değere sahip olunmuş yani ticari Nafion 212 membran değerine ulaşılabilmiştir. Bu durum Nafion membranın katkılanmasında silika aerojelin belirli bir miktarda kullanımının yakıt pilinin akım yoğunluğunu dolayısıyla performansını oldukça artırabileceğini göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Objective: Silica aerogel doped membranes are among the materials considered for practical applications of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) due to their potential to enhance membrane durability. The primary goal in the field of proton exchange membranes is to develop membranes that possess high proton conductivity while maintaining good mechanical integrity. In this thesis study, silica aerogel (SA) was doped into the Nafion membrane to improve the mechanical properties of Nafion and fuel cell performance. Perlite, which is abundantly available in our country, was utilized as the silica source for the synthesis of silica aerogel. During the synthesis process, environmental conditions were varied to obtain silica aerogels with different structural properties. The synthesized silica aerogels with different structures were incorporated into Nafion membranes with the aim of enhancing the fuel cell performance. Silica aerogels were synthesized and characterized under various pH conditions, and these materials were added to Nafion solution at concentrations of 1,25, 2,5, 5, and 10 wt%. The resulting silica aerogel-doped Nafion membranes were then compared with the undoped, handmade Nafion membranes to investigate improvements in fuel cell performance and durability. Method: To obtain membranes with high proton conductivity and good mechanical strength, silica aerogels were synthesized from perlite, a silica source, using the sol–gel method under different pH conditions. The synthesized silica aerogels were physically characterized by nitrogen adsorption/desorption isotherms (BET analysis), XRD, TGA, FTIR, SEM-EDS, and TEM. Subsequently, membranes containing 1,25, 2,5, 5, and 10 wt% silica aerogels (SA) were prepared. Among these, the membrane that exhibited the best performance was further modified to suppress minor fuel crossover by incorporating a Pt catalyst supported on silica aerogel (Pt/SA), synthesized via a microwave heating method, resulting in composite membranes. The composite membranes containing SA and/or Pt/SA were characterized through contact angle measurements, water uptake capacity, ion exchange capacity, ionic conductivity, and tensile strength tests. In addition, PEM fuel cell performance tests were conducted on the prepared membranes. Findings: A structural alteration was observed in the silica aerogel–doped membranes compared to the undoped handmade membranes. The BET surface area of the silica aerogels synthesized under different pH conditions was found to decrease with increasing pH, while XRD results confirmed that the aerogels possessed an amorphous structure. The reason why the BET surface areas of the silica aerogels synthesized under different pH conditions follow the order S1>S3>S2>S4 is that, in silica aerogels produced via the sol–gel method, hydrolysis is dominant in acidic environments, leading to the formation of very small silica particles and thus a high specific surface area obtained. In contrast, under basic conditions, condensation becomes dominant, resulting in pore growth and the formation of agglomerates, which in turn leads to a lower surface area. Contact angle measurements of the membranes containing 1,25, 2,5, 5, and 10 wt% silica aerogel (SA) revealed variations depending on the membrane thickness, even at identical doping ratios. As the membrane thickness decreased, hydrophobicity increased. Furthermore, it was observed that increasing the silica aerogel content reduced both hydrophobicity and ion exchange capacity while enhancing water uptake capacity. Experimental results demonstrated that silica aerogel incorporation improved the mechanical strength of the membranes. Fuel cell performance tests indicated that thicker membranes exhibited better performance than thinner ones. The thick membrane containing 2,5 wt% S1 showed a current density of 148,53 mA/cm², while the thick membrane with 2,5 wt% S3 exhibited 112,92 mA/cm². In contrast, the thin membrane containing 2,5 wt% S1 had a current density of 98,41 mA/cm², and the thin membrane with 2,5 wt% S3 showed 76,2 mA/cm². Conclusion: The use of Nafion membranes doped with 1.25%, 2.5% SA, and Pt/SA in PEM fuel cells has provided advantages in terms of both fuel cell performance and mechanical strength and hydrophobicity. A current density of 33.33 mA/cm2 was obtained with the undoped hand-made Nafion membrane, Pt/SA-doped membrane and 2.5% S1-doped membrane gave values approximately 4.5 times higher than those of the hand-made membrane, such as 153.74 mA/cm2 and 148.53 mA/cm2, respectively, reaching the value of the commercial Nafion 212 membrane. This demonstrates that the use of a certain amount of silica aerogel in the doping of Nafion membranes can significantly increase the current density and thus the performance of the fuel cell.
Benzer Tezler
- Silika aerojel katkılı hafif seramik sağlık gerecinin geliştirilmesi
Development of silica aerogel added lightweight ceramic sanitaryware
MURAT DOĞDU
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
BiyomühendislikYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASİBE AYGÜL YEPREM
PROF. DR. SEVİL YÜCEL
- Nano silika ve farklı nano silika aerojel katkılı çevre dostu poli(vinil alkol) - sodyum aljinat - jelatin (PVA-SA-GEL) biyokompozit filmlerin üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of environmentally friendly poly(vinyl alcohol) - sodium alginate - gelatin (PVA-SA-GEL) biocomposite films with different nano silica and nano silica aerogel additives
İREM PATAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
BiyoteknolojiYıldız Teknik ÜniversitesiBiyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEVİL YÜCEL
DOÇ. DR. ALİ CAN ÖZARSLAN
- Volkanik tüf atıkları kullanılarak üretilen silika aerojel katkılı hafif betonun mühendislik özelliklerinin incelenmesi
Examination of engineering properties of silica aerogel added lightweight concrete produced using volcanic tufa wastes
SELÇUK ÇİMEN
Doktora
Türkçe
2023
İnşaat MühendisliğiBayburt Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖMER CAN
- Aerojel katkılı polimer kompozitlerin hazırlanışı,karakterizasyonu ve dielektrik özelliklerinin incelenmesi
Preparation, characterization of aerogel doped polymer composites and investigation of dielectric properties
DENİZ BOZOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Kimya Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DENİZ DEĞER ULUTAŞ
PROF. DR. HÜSEYİN DELİGÖZ
- Silika içerikli aerojelin sol-jel yöntemi ile sentezlenmesi ve mimari yapı malzemesinin performansının geliştirilmesi
Synthesising silica aerogel by sol-gel method and devoloping the performance of architectural building material
TUBA ARKAN DEMİRÖRS