Pem Yakıt Hücrelerinde Zeolit Nafyon Kompozit Membranların Geliştirilmesi

Abstract

Poroton geçirgen membran yakıt hücreleri sahip oldukları yüksek enerji verimliliği, uzun kullanım ömrü ve düşük kirlilik emisyonu gibi karakteristik özelliklerinden dolayı günümüzde en çok tercih edilen yakıt hücrelerindendir. En yaygın olarak kullanılan proton geçirgen membranlar Dupont firmasının ürettigi Nafion olarak bilinen perfluoro sülfonik asit membranlarıdır. Bu membranlar oldukça yüksek proton iletkenliğine, yüksek mekanik dayanıklılığa ve kimyasal ve termal kararlılığa sahiptir. Ancak Nafyon membranın üretim aşamasındaki yüksek maliyeti, yüksek sıcaklıklardaki düşük proton iletkenliği ve metanol geçirgenliği gibi özelliklerinden dolayı yakıt hücrelerindeki kullanım alanları kısıtlanmaktadır. Bu çalışmanın amacı, düşük maliyet ile yüksek mekanik güce, kimyasal ve termal kararlılığa sahip ve yüksek sıcaklıklarda yüksek proton iletkenlik gösterebilen zeolit-Nafion kompozit yapıda yakıt hücresi membranları geliştirmektir. Bu amaçla, proton iletken matriks olarak Nafion iyonomeri, zeolitik dolgu olarak da doğal zeolitlerden klinoptilolit zeoliti kullanılmıştır. Değişik zeolit miktarlarıyla hazırlanan membranlar H+ ve Na+ formlarında yapılara dönüştürülmüştür. Karakterizasyon deneyleri için empedans spektroskopisi, SEM ve AFM kullanılmıştır. Proton iletkenlik ölçümleri ise 25- 80 0C arasında yapılmış ve iletkenliğin sıcaklıkla arttığı gözlenmiştir. SEM ve EDX sonuçları da bize zeolit parçacıklarının Nafion yüzeyine iyi bir dağılım gösterdiğini kanıtlamıştır. Son olarak, Nafion un zeolit ile modifikasyonu ticari Nafion membranları ile karşılaştırıldığında karakteristik yapısında ayırt edilebilir değişiklikler olduğu gözlenmiştir.

Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells are the most preferred type of fuel cells due to their high energy densities, low polluting emissions and long life times. The most widely used proton exchange membranes are perfloro sulphonic acid membranes, such as Dupont’s Nafion, because of their excellent proton conductivity, mechanical strength, thermal and chemical stability. However, their high preparation cost, low ion conductivity at high temperatures and high methanol permeability limit their commercialization in fuel cells. The purpose of this study is to develop zeolite-Nafion composite membranes that have high mechanical strength, thermal and chemical stability and high proton conductivity at elevated temperatures at relatively low cost. For this purpose, Nafion ionomer was used as proton conducting matrix and clinoptilolite as zeolitic filler. The membranes were converted into the H+ and Na+ forms after the preparation of membranes with different zeolite content. The characterizations of the membranes were done by impedance spectroscopy, microscopic and electrochemical methods. The proton conductivities were measured in the temperature range of 25-80 0C. The results showed that proton conductivites increased with temperature. Also from SEM and EDX results, we observed that the zeolite particles were evenly dispersed in the Nafion matrix. Finally, we found that modification of Nafion with zeolites resulted in notable changes in its characteristics when compared with sole Nafion.