Günümüzde, yakıt ve enerji ile ilgili bilimsel çalışmalar, fosil yakıt bazlı olmayan teknolojilereodaklanmaktadır. Bu teknolojilerin en önemlisi yakıt pili teknolojisidir. Proton değişim membranlı yakıt Pillleri(PDMYP), yüksek güç yoğunluğu, hızlı ve sessiz çalışması, düşük hassasiyet, verimli enerji dönüşüm sistemive çevre dostu avantajları nedeniyle otomotiv ve portatif güç uygulamaları için büyük bir potansiyele sahiptir.PDMYP'nin en önemli kısmı proton değişim membranıdır (PDM).Halihazırda, florokarbon bazlı Nafion, PDM yakıt pillerinde en yaygın kullanılan ticari membrandır. Nafion'unkimyasal, mekanik, proton iletkenliği ve diğer karşılaştırmalı özelliklerinin iyi olmasına rağmen, pahalı olmasıve 90 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda su içeriğinin buharlaşması nedeniyle proton iletkenliği azalır. Bu nedenle,alternatif membranı aramak kaçınılmazdır.Bu çalışmada, Nafion için alternatif bir membranın sentezlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, ilk adım olarak,hidrokarbon bazlı membranlar ucuz ve mevcut polimer kullanılarak sentezlendi. Membranların zayıf özellikleri,katkı maddeleri kullanılarak ve termal ve/veya kimyasal çapraz bağlama işlemleri uygulanarak geliştirilmiştir.Hidrokarbon bazlı membranların sentezlenmesi için Polivinil Alkol (PVA) kullanıldı. Optimum fosforik asityüzdesini ortaya çıkarmak için, sentez prosedürü, farklı fosforik asit katkısı yüzdeleri (% 10,% 20,% 30,% 40ve% 50) kullanılarak solüsyon döküm yöntemi ile gerçekleştirilmiştir.En iyi değer % 30 fosforik asit katkılı PVA membranı (30P) içeren membrandan elde edildi. Bu nedenle, kalandeneyler, farklı oranlarda (% 2,% 5,% 10,% 15 ve% 20) farklı katkı maddeleri (saf sepiolit ve modifiye sepiolit)ile bu membran kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu sentezlenmiş membranların sentezlenmesinde kullanılansaf sepiolit veya modifiye sepiyolite bağlı olarak sırasıyla S ve MS olarak kodlanmıştır.Bu çalışmada modifiye sepiyoliti hazırlamak için saf sepiolitin modifikasyon süreci geliştirilmiş ve fouriertransform kızılötesi spektroskopisi (FT-IR), enerji dağılımlı X-ışını (EDX) ve transmisyon elektron mikroskobu(TEM) analizi ile yapısı doğrulanmıştır.Hem termal olarak işlenmiş hem de kimyasal olarak çapraz bağlanan nano-kompozit membranların (MS-G)elde edilmesi için MS membranlarına termal işleminin yanı sıra kimyasal çapraz bağlama işlemi deuygulanmıştır.Sentezlenen membranların PDMYP çalışma koşulları altında uygulanabilirliğini belirlemek için su tutmakapasitesi, şişme oranı, iyon değişim kapasitesi (IEC), elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ileproton iletkenliği, termogravimetrik analiz (TGA), mekanik test, fourier transform kızılötesi spektroskopisi(FT-IR), elektron tarama mikroskobu (SEM) ve enerji dağılımlı X-ışını (EDX) gibi karakterizasyon testleriyapılmıştır. Son olarak, karakterizasyon deneyleri ile seçilen uygun membranlar kullanılarak imal edilenmembran elektrot düzeneği (MEA) kullanılmasıyla yakıt pili performans testleri gerçekleştirilmiştir.Karakterizasyon deneyleri ve yakıt pili performans testleri sonucunda, bu doktora çalışmasında geliştirilen nanoboyutlu modifiye sepiyolit kullanılarak sentezlenen MS-G membranların özellikleri, sadece ısıl işlemdengeçirilmiş nano boyutlu saf sepiyolit ve modifiye sepiyolit kullanılarak sentezlenen membranlardan daha iyiolduğu bulunmuştur. PVA'nın hidrofilik doğasına rağmen, hidrolitik olarak kararlı nano kompozit membranlarbaşarılı bir şekilde sentezlenmiştir.En iyi yakıt pili performans testi sonuçları, % 2 modifiye sepiolit (2MS-G) içeren, termal olarak işlenmiş vekimyasal olarak çapraz bağlı nano-kompozit membranlar için elde edilmiştir. 2MS-G kodlu membranın 0.5 V'ta kullanılabilir akım yoğunluğu ve güç yoğunluğu değerleri, sırasıyla 500 mA/cm2 ve 0.25 W/cm2'dir. Bumembran, 0.158 S/cm bir proton iletkenliğine, 0.89 meq/g iyon değişim kapasitesine ve % 38.41 su tutmakapasitesine sahiptir. Bu değerleri ve 2MS-G'nin diğer birçok özelliği ile ilgili olarak, bu membranın, Nafionmembranı için umut verici bir alternatif olduğu ve H2/hava PDM yakıt pillerinde kullanım için iyi bir adayolduğu sonucuna varılmıştır.Anahtar Kelimeler: Membran karakterizasyonu, nanokompozit membran sentezi, proton değişiml membran (PDM), PVA bazlı membran, Yakıt pili.

Today, scientific studies on fuel and energy focus on non-fossil fuel based technologies. The most prominentof these technologies is fuel-cell technology. Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) have greatpotential for automotive and portable power applications due to their numerous advantages, such as high powerdensity, fast and quiet operation, low sensitivity, efficient energy conversion system, and environmentalfriendliness. The most important part of the PEMFC is its proton exchange membrane (PEM).Nowadays, fluorocarbon-based Nafion is the most widely used commercial membrane in PEM fuel cells.Although the chemical, mechanical, proton conductivity and other comparative properties of Nafion are good,it is expensive and its proton conductivity decreases due to the vaporization of its water content at temperatureshigher than 90 °C. Therefore, looking for the alternative membrane is unavoidable.In this study, it is aimed to synthesis an alternative membrane for Nafion. For this purpose, as a first step,hydrocarbon-based membranes were synthesized by using cheap and available polymer. The weak propertiesof the membranes have been improved by using additives and applying thermal or/and chemical cross-linkingprocesses. Polyvinyl Alcohol (PVA) was used to synthesize hydrocarbon-based membranes. In order to reveal theoptimum phosphoric acid percentage, the synthesis procedure was carried out by using different phosphoricacid doping percentages (10%, 20%, 30%, 40% and 50%) by solution casting method.The best value was obtained for the membrane containing 30% phosphoric acid-doped PVA membrane (30P).Therefore, the remaining experiments were carried out by using this membrane with different additives (pristinesepiolite and modified sepiolite) with different ratios (2%, 5%, 10%, 15%, and 20%). These synthesizedmembranes were coded depending on whether pristine sepiolite or modified sepiolite used in their synthesis asS and MS respectively.The modification process of pristine sepiolite to prepare the modified sepiolite was developed in this work andresults confirmed by, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), Energy Dispersive X-ray (EDX) andTransmission Electron Microscopy (TEM) analysis.Chemical crosslinking was applied to MS membranes beside the thermal treating process to obtain boththermally treated and chemically crosslinking nano-composite membranes (MS-G).To determine the applicability of the synthesized membranes under the PEM fuel cell operating conditions,characterization tests such as water uptake capacity, swelling ratio, Ion Exchange Capacity (IEC), protonconductivity by Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), Thermogravimetric Analysis (TGA),mechanical testing, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), Electron Scanning Microscopy (SEM)and Energy Dispersive X-ray (EDX) have been performed. Finally, single fuel cell performance tests wereperformed by using membrane electrode assembly (MEA) fabricated by using appropriate membranes whichwere selected by regarding the characterition experiments.As a result of characterization experiments and fuel cell performance tests, it was found that the properties ofMS-G membranes synthesized by using nano-sized modified sepiolite which developed in this Ph.D. study werebetter than that the only thermally treated membranes synthesized by using nano-sized pristine sepiolite andmodified sepiolite. Despite the hydrophilic nature of PVA, hydrolytically stable nano-composite membraneshave been successfully synthesized.The best single fuel cell performance test results were obtained for both thermally treated and chemically crosslinkednano-composite membranes having 2% modified sepiolite (2MS-G). The usable current density andpower density values of the 2MS-G coded membrane at 0.5 V were 500 mA/cm2and 0.25 W/cm2respectively.This membrane has a proton conductivity of 0.158 S/cm, ion exchange capacity value of 0.89 meq/g and 38.41%water uptake capacity. By regarding these values and with many other properties of 2MS-G, it was concludedthat this membrane is a promising alternative for Nafion membrane and good candidate for usage in H2/air PEMfuel cells.Keywords: Fuel cell, membrane characterization, nanocomposite membrane synthesis, proton exchange membrane (PEM), PVA based membrane.