PEM yakıt hücresi uygulamaları için imidazol fonksiyonel nano SiO2/Nafyon nanokompozit membranların üretilmesi

Yıl 2019, Cilt: 34 Sayı:1, 351 - 364, 26.03.2019

Ayşe Aslan , Eda Gümüşdereli Ali Murat Soydan

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.416498

Cited By: 1

Öz

Bu çalışmada yeni nesil enerji kaynakları arasında önemli bir yere sahip ve yenilikçi bir çalışma alanı olan Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücreleri (PEMFC)’nde kullanılmak üzere, nanokompozit membranlar üretilmiş ve karakterizasyon işlemleri yapılmıştır. PEMFC’ de proton (H⁺) iyonlarının iletimini sağlayan nano yapılı kompozit membranların üretimi için SiO₂ nano parçacıkları ile İmidazol (Im) Benzimidazol (BIm) ve Fenilimidazol (PIm) ile SiO₂ nanoparçacıkları modifiye edilmiştir. Nafyon ile fonksiyonel nano yapılar ağırlıkça % 3, 5 ve 10 oranlarında karıştırılarak nanokompozit membranlar hazırlanmıştır.

          İki aşamalı bir yöntem izlenen çalışmada öncelikle Im, BIm ve PIm ile SiO₂ nano parçacıkları arasında etkileşim sağlanarak hazırlanan solüsyonlardan fonksiyonel nano parçacıklar elde edilmiştir. Elde edilen nano parçacıklar, Nafyon ile karıştırılarak solüsyonlar hazırlanmış ve ipek baskıda proton iletken nanokompozit membranlar hazırlanarak karakterizasyon işlemleri yapılmıştır. Malzemelerin homojen dağılımı ve yüzey morfolojisi SEM, bileşenler arası moleküler etkileşimin varlığı FT-IR spektrumu ile tespit edilmiştir. Yüksek sıcaklıklarda termal kararlılık gösterdiği TGA ölçümleri ile neme karşı dayanımı Su Tutma Testleri, Metanol Tutma Testleri ile ve iyon iletimi kapasitesi Proton İletkenlik Testleri ile gözlenmiştir. Ayrıca membranlara ait camsı geçiş sıcaklığı (Tg) değerleri DSC ölçümleri ile belirlenmiştir.

          PEMFC’ de kullanılmak üzere geliştirilen polimer nanokompozit membranların üretiminde, SiO₂ nano parçacıklarının imidazol gruplarıyla fonksiyonelleştirilmesinin başarılı bir şekilde gerçekleştirildiği, yapılan ölçümler sonucu nanokompozit membranların yüksek iletkenlik değerine (0.04 Scm^-1)sahip olduğu belirlenmiştir.

 

Anahtar Kelimeler

PEM yakıt hücresi, proton iletken membran, fonksiyonel nano parçacık, Nafyon

Kaynakça

• Çakır Ç. ,(2012), “Elektrokimyasal Teknik Tekstil Membranının İncelenmesi”,Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi.
• Barbir, F. and S. Yazici, Status and development of PEM fuel cell technology. International Journal of Energy Research, 2008. 32(5): p. 369-378.
• Beuscher, U., S.J.C. Cleghorn, and W.B. Johnson, Challenges for PEM fuel cell membranes. International Journal of Energy Research, 2005. 29(12): p. 1103- 1112.
• Zhang H., Li X., Zhao C., Fu T., Shi Hui Na Y., (2008), “Composite membranes based on highly sulfonated PEEK and PBI: Morphology characteristics and performance”, Journal of Membrane Science, 308(1), 66–74.
• Saccà, A., et al., Structural and electrochemical investigation on re-cast Nafyon membranes for polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) application. Journal of Membrane Science, 2006. 278(1-2): p. 105-113.
• Hogarth, W.H.J., J.C. Diniz da Costa, and G.Q. Lu, Solid acid membranes for high temperature (140° C) proton exchange membrane fuel cells. Journal of Power Sources, 2005. 142(1-2): p. 223-237.
• Savadogo, O., Emerging membranes for electrochemical systems. Journal of Power Sources, 2004. 127(1-2): p. 135-161.
• Smit, M.A., et al., A modified Nafyon membrane with in situ polymerized polypyrrole for the direct methanol fuel cell. Journal of Power Sources, 2003. 124(1): p. 59-64.
• Zhang, J., et al., High temperature PEM fuel cells. Journal of Power Sources, 2006. 160(2): p. 872-891.
• Zhang, Y., et al., Implantation of Nafyon® ionomer into polyvinylalcohol/chitosan composites to form novel proton-conducting membrane for direct methanol fuel cells. Journal of Power Sources, 2009. 194(2): p. 730-736.
• Thampan, T.M., et al., Thermodynamics and Proton Transport in Nafyon III. Proton Transport in Nafyon/Sulfated ZrO2 Nanocomposite Membranes. Journal of The Electrochemical Society, 2005. 152(8): p. A1548-A1554.
• Ye, L., et al., Facile synthesis of hexagonal boron nitride nanoplates via molten- salt-mediated magnesiothermic reduction. Ceramics International, 2015. 41(10): p. 14941-14948.
• Gözütok B., (2007), “Poli(Vinil Alkol) (Pva) Bazlı Membranların Yakıt Hücrelerine Uygulanabilirliğinin İncelenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi.
• Agmon N., (1995), “The grotthuss mechanism”, Chemical Physics Letters;244(5),
• –462.
• Baradie, B., J.P. Dodelet, and D. Guay, Hybrid Nafyon®-inorganic membrane with potential applications for polymer electrolyte fuel cells. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2000. 489(1-2): p. 101–105.
• Ye, L., et al., Facile synthesis of hexagonal boron nitride nanoplates via molten- salt-mediated magnesiothermic reduction. Ceramics International, 2015. 41(10): p 14941-14948.
• Celik S. U., Bozkurt A., Hosseini S., (2012), “Alternatives toward proton conductive anhydrous membranes for fuel cells: Heterocyclic protogenic solvents comprising polymer electrolytes.” ,Progres in Polymer Science, 37(9), 1265-1291.
• Eko, A., O. Fukunaga, and N. Ohtake, Morphology of cubic boron nitride crystals synthesized using (Fe, Co, Ni)–(Cr, Mo)–Al alloy solvents under pressure. Diamond and Related Materials, 2014. 44: p. 33-37.
• Wei L., Qiong T., ZhengKai Z., HaiNing P.M., (2011), “2-Substituted imidazole derivatives doped Nafion membrane for high temperature anhydrous application and their performance.”, Scientia Sinica Chimica, 41(12), 1840-1847.
• Kreuer KD, Fuchs A, Ise M, Spaeth M, Maier J.,(1998), “Imidazole and pyrazole-based proton conducting polymers and liquids”, Electrochimica Acta, 43(41), 1281 1288.
• Dippel T, Kreuer KD, Lassègues JC, Rodriguez D, (1993), “Proton conductivity
• in fused phosphoric acid; A 1H/31P PFG-NMR and QNS study.” , Solid State Ionics ,
• (41), 416.
• Jannasch P., (2003), “Recent developments in high-temperature proton conducting
• polymer electrolyte membranes.” Current Opinion in Colloid and Interface Science,
• (42), 96–102.
• Steininger H., Schuster M., Kreuer KD, Kaltbeitzel A, Bingöl B, Meyer WH,
• Schauff S, Brunklaus G, Maier J, Spiess HW., (2007), “Intermediate temperature
• proton conductors for PEM fuel cells based on phosphonic acid as protogenic group:
• A progress report.” Physical Chemistry Chemical Physics , 9(15), 1764–1773.
• Web 3, (2012), http://www.fuelcelltoday.com/analysis/industryreview/2012/the industry-review, (Erişim Tarihi: 09/06/2016)
• Albertini V.R, Paci B., Nobili F., Marassi R., Di Michiel M., (2006),“Space-time
• resolved dynamics of water in a Fuel Cell PEM upon working”, Meet Abstract
• Electrochemical Society, 131, Denver, Colarado, USA, 7 May.
• Web12,(2016),www.mta.gov.tr/v2.0/birimler/laboratuvarlar/index.phpid=FTIR,
• (Erişim Tarihi: 10/06/2016).
• Dobbs W., Douce L., Heinrich B., (2009), “1-(4-Alkyloxybenzyl)-3-methyl-1H
• -imidazol-3-ium organic backbone: A versatile smectogenic moiety.”, Beilstein
• Journal. Organic. Chemistry., 5(5), 62-68.
• Web 11, (2011) http://merlab.metu.edu.tr/termal-analiz-laboratuvari-tal, (Erişim
• Tarihi: 05/05/2016).
• Chang C.K., Xiano J.L., Qiang S., Shu G.O., Zhi G.S., Bao L.Y., (2011),
• “Investigation on sulfuric acid sulfonation of in situ sol-gel derived Nafion 117
• membrane”, International Journal of Hydrogen Energy, 36(5), 3606-3613.
• Ho Y.J., Jung W.K., (2012), “Role of the glass transition temperature of Nafion
• membrane in the preparation of the membrane electrode assembly in a direct
• methanol fuel cell (DMFC).” ,International Journal of Hydrogen Energy 37(17),
• -12585.
• Web12 (2016),www.mta.gov.tr/v2.0/birimler/laboratuvarlar/index.phpid=FTIR,