Yüksek sıcaklık polimer elektrolit membran yakıt hücreleri için proton iletken asit-baz polimer karışım membranların üretilmesi

Abstract

Polimer elektrolit membran (PEM) yakıt hücresinin kalbi proton iletken polimer membrandır. Genellikle perflorokarbon sülfonik asit (PFSA) polimerler PEM yakıt hücrelerinde kullanılır. Perflorokarbon sülfonik asit bazlı membranların nemsiz durumda herhangi bir proton iletkenliği yoktur ve buna bağlı olarak çalışma sıcaklığı 100 oC'nin altındadır. PEM yakıt hücreleri için yüksek sıcaklıkta kararlı olan ve yüksek proton iletkenlik sağlayabilen polimer elektrolit membranlara ihtiyaç duyulmaktadır. Yakıt hücrelerinin yüksek sıcaklıkta (100-200 oC) çalışmasının elektrot reaksiyonlarının kinetiğinin artması, CO zehirlenmesine karşı toleransın arttırılması, nemlendirme ve ısı yönetimi problemlerinin ortadan kalkması gibi pek çok avantajı vardır. Bu tezin amacı yüksek sıcaklık ve düşük nemde yüksek proton iletkenliği olan, ısıl ve kimyasal olarak kararlı polimer elektrolit membranlar geliştirmektir. Üç farklı asit-baz polimer karışım membran üretildi. İlk olarak Nafion, ısıl olarak kararlı ve erime noktası yüksek olan farklı proton çözücülerle (1H-1,2,4-triazol, 3-amino-1,2,4-triazol ve 5-aminotetrazol) şişirildi. Nafion, film ve çözelti olmak üzere iki ayrı formda kullanıldı. İkinci çalışmada homopolimer poli(1-vinil-1,2,4-triazol), 1-vinil-1,2,4-triazol monomeri kullanılarak serbest radikal polimerizasyonuyla sentezlendi. Polimer karışım membranlar, Nafion'un film veya çözelti olarak kullanılmasıyla iki farklı yöntemle üretildi. Son olarak homopolimer poli(vinil fosfonik asit) (PVFA), vinil fosfonik asit monomeri kullanılarak serbest radikal polimerizasyonuyla sentezlendi. PVFA Nafion çözeltisi içerisinde değişik mol oranlarında çözüldü ve çözelti dökme yöntemiyle homojen membranlar üretildi. Üretilen membranların proton iletkenliğinin yüksek olması, ısıl ve kimyasal kararlılığa sahip olmalarından dolayı, yüksek sıcaklık PEM yakıt hücrelerinde uygulanabileceğini göstermektedir.

The heart of a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell is a proton conducting membrane, which is commonly fluoropolymers. Perfluorosulfonic acid membranes which have high thermal and chemical stability provide high proton conductivity only when they are hydrated. The reason is the mobility of the protons along the water swelled phase which can be feasible up to dew point of water. Working at higher temperatures (100-200 oC) brings some advantages such as CO tolerance, easier heat and water management, faster electrode kinetic and high energy efficiency. The aim of this thesis is to synthesize thermally and chemically stable proton conducting membranes for high temperature and low humidity working PEM Fuel Cells. In the first study commercial Nafion membrane was swollen with thermally stable and low volatile proton solvents (1H-1,2,4-triazole, 3-amino-1,2,4-triazole and 5-aminotetrazole) at several stoichiometric ratios. In the second study, the homopolymer poly(1-vinyl-1,2,4-triazole), PVTri, was synthesized by free radical polymerization of 1-vinyl-1,2,4-triazole. The blends were prepared either by film casting from commercial Nafion solutions and PVTri at several stoichiometric ratios or swelling of Nafion in PVTri solution. In the final study, the homopolymer poly(vinyl phosphonic acid), PVPA, was produced by free radical polymerization of vinyl phosphonic acid. The blends were prepared by film casting from commercial Nafion solutions and PVPA at several stoichiometric ratios. These results demonstrated that the insertion of basic units into hydrophilic channels of Nafion resulted in the production of thermally and chemically stable membranes that can be suggested for application in high temperature low humidity working PEM fuel cells.