Polibenzimidazole Temelli Yüksek Sıcaklık Pem Yakıt Hücresinin Performansına Bor Nitrit İlavesinin Etkisi

Abstract

Son yıllarda nüfus artışıyla birlikte, teknolojilerin büyümesiyle enerji talebi de art-mıştır. Proton değişim membranlı yakıt pilleri (PEMFC), yüksek verimliliği, düşük kirliliği, yüksek güç yoğunluğu ve sessiz çalışması nedeniyle son yıllarda tercih edilen yenilenebilir enerji teknolojisi olarak kabul edilmiştir. PEMFC'lerin ticarileştirilmesi ve günümüzde sıklıkla kullanılan doğal gaz ve metan gibi kısa süreçlerden üretilen ıslah edilmiş gazların kullanımı için PEMFC'nin yüksek CO toleranslarına sahip olmalıdır. Yüksek sıcaklık proton değişim membranlı yakıt pili (HT-PEMFC), kolay su yönetimi ve 100 ℃ çalışma sıcaklığının üzerinde karbon monoksit (CO) toleransı sağlar. Bu tezde, HT-PEMFC uygulaması için yeni Polibenzimidazol/Bor Nitrür (PBI/BN) kompozit membranlar tasarlanmıştır. Yüksek termal kararlılık, düşük elektriksel iletkenlik ve yüksek plastikleştirici özelliği nedeniyle BN tercih edilmiştir. BN katkısı ağırlıkça 2.5, 5, 7.5 ve 10 % olarak kullanılmıştır. Kompozit membranlar, termogravi-metrik analiz (TGA), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve mekanik analizler, asit doping, asit sıyırılması, proton iletkenlik ölçümleri ile karakterize edildi. Termal grav-imetrik analiz, PBI/BN kompozit membranların HT-PEMFC uygulaması için termal kararlılığını doğrulamıştır. Asit sıyırılması testi sonuçları, daha fazla inorganik BN parçacığı eklenmesinin membrandan asit kaybını önemli ölçüde azalttığını göstermiştir. Proton iletkenlik ölçümleri, polimer matrisine BN eklenmesinin proton iletkenliğini artırdığını göstermiştir. En yüksek proton iletkenlik değeri 180oC'de 0,260 S/cm olarak PBI/BN-2.5 membranda elde edilmiştir. PBI/BN-2.5 kompozit membranının HT-PEMFC performans testi, PBI membran ile karşılaştırılarak incelenmiştir. Test sonuçlarına göre 165 oC'de PBI-BN-2.5 membran, 0.6 V ve 132 mW/cm2 maksimum güç yoğunluğunda 136 mA/cm2 akım yoğunluğu ile PBI membrandan daha yüksek performansa sahiptir. Bu MEA'nın yüksek perfor-mansı, PBI-BN-2.5 membranının yüksek proton iletkenliğine ve gelişmiş özelliklerine bağlanabilir. Tez çalışmasında elde edilen sonuçlar PBI/BN kompozit membranların HT-PEMFC'lerde kullanılabilirliğini göstermiştir. Gelecekteki geliştirme çalışmaları ile PBI/BN membranlar ticari yakıt hücrelerinde de kullanılabilir.With the growth of the world population in the last decades, the energy demand has also increased due to technological developments and requirements. In this context, Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has been gaining attention as an alter-native to produce renewable energy lately thanks to its high efficiency, low pollution, high power density, and quiet operation. However, there must exist a high level of CO tolerance to be able to commercialize this alternative along with the use of re-formed gasses produced from short processes, namely natural gas and methane – in abundant use today. High-temperature proton exchange membrane fuel cell (HT-PEMFC) allows for smooth water management and increased carbon monoxide (CO) tolerance to over 100 ℃ of operating temperature. Against this backdrop, the present thesis is an attempt to design novel Polybenzimid-azole/Boron Nitride (PBI/BN) composite membranes for HT-PEMFC application. BN was preferred due to its acceptable thermal stability, low electrical conductivity and high plasticizer property. This filler is used as 2.5, 5, 7.5 and 10 wt. %. The com-posite membranes are tested using thermogravimetric analysis (TGA), Scanning Elec-tron Microscopy (SEM), mechanical analyses, acid doping/leaching, and proton con-ductivity measurements. Accordingly, thermal gravimetric analysis confirm the ther-mal stability of the PBI composite membranes; whereas acid leaching proves that adding more inorganic BN particles reduces acid loss from the membrane significant-ly. Proton conductivity measurements show that introducing BN in the polymer ma-trix increases such conductivity, up to 0.260 S/cm at 180oC for PBI/BN-2.5 The HT-PEMFC performance test for PBI-BN-2.5 membrane is carried out in com-parison with the PBI membrane, with results revealing that the former achieves high-er performance with a current density of 136 mA/cm2 at 0.6 V and 132 mW/cm2 maximum power density at 165 oC. The high performance of this MEA can be at-tributed to elevated proton conductivity and the enhanced properties of the PBI-BN-2.5 membrane. Overall, the findings in the present thesis show the usability of PBI/BN composite membranes in HT-PEMFCs, and their applicability for commer-cial fuel cell production upon further improvements.