Proton değişim membran yakıt hücrelerinde kullanılan polimerik membranın modellenmesi
Modelling of polymeric membrane used in proton exchange membrane fuel cells
Yazar: MEHMET FIRAT DOĞAN
Danışman: DOÇ. DR. ÖZGEN ÜMİT ÇOLAK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Polimerik membranlar = Polymeric membranes ; Proton değişimi = Proton exchange ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Sanayi devrinden sonra teknolojinin gelişmesi ile artan talepler ve aşırı artan nüfustan dolayı meydana gelen enerji açığı fosil yakıtların kullanılmasıyla ortadan kaldırılmaya çalışılmış fakat dünyayı geri dönüşü olmayan bir çıkmaza sokmuştur. Tükenmeye yüz tutmuş fosil yakıtlar ve aşırı çevre kirlenmesi insanları yeni enerji yöntemlerine yöneltmiştir. Yenilenebilir enerji yöntemleriyle hem çevre kirliliğini engellemeye hem de fosil yakıtlara alternatif bulmaya çalışılmaktadır. Alternatif enerjilerden ve geleceğin yakıtlarından biri de hidrojen enerjisi olup, hidrojenden elektrik üretimini sağlayan yakıt hücre teknolojisi de geleceğin yenilenebilir, temiz ve yüksek verimli enerji çözümü olarak geniş kabul görmektedir. Elektrokimyasal reaksiyonlardan geçerek elektrik üretmek için hidrojeni kullanan polimer eletrolit membran (PEM) yakıt hücreleri, özellikle taşımacılıkta içten yanmalı motorlar yerine çevre dostu olarak kullanabilmek için geliştirilmeye çalışılmaktadır. PEM yakıt hücreleri, yüksek verimi, düşük sıcaklıklarda kullanılabilmeleri, sessiz çalşmaları ve çevre dostu olmalarından ötürü, geleceğin enerji üretim cihazlarıdır fakat yakıt hücreleri halen tam anlamıyla ticari olarak belli eksiklerinden dolayı kullanılamamaktadır. Bunların başında en önemli etken PEM yakıt hücresinin ana elemanı olan membranın istenilen ömüre ulaşamaması, yüksek sıcaklık ve nemde mekanik ve kimyasal hasar göstermesidir.Bu çalışmada proton değişim membran yakıt hücrelerinin ana elemanı olan membranın yakıt hücresi içindeki çalışma koşulları dikkate alınarak, membran malzemelerinden Nafion 112 kullanılarak çekme deneyi, DTA-TG deneyi, iklimlendirme deneyleri yapılmış ve akabinde elekron mikroskobunda (SEM) iklimlendirilen numuneler incelenmiş ve malzemede meydana gelen hasarlar belirlenmiştir. Literatür taramalarından elde edilen bilgiler dahilinde yapılan modelleme çalışmalarında polimerik malzemelerin davranışının tam anlamıyla modele yansıtılamadığı gözlemlenmiş ve bu eksiklik göz önüne alınarak modelleme çalışmalarına yönelinmiştir. Deneysel çalışmalardan elde edilen veriler kullanılarak bu kapsamda polimerik malzemenin viskoelastik-viskoplastik davranış gösterdiği sonucu elde edilip, viskoplastisite teorilerinden biri olan `Viscoplasticity Theory Based On Overstress (VBO)' modeli kullanılarak oda sıcaklığı ve farklı yüksek sıcaklıklarda Nafion 112 polimerik membranın çekme davranışı modellenmiştir. Simülasyon sonuçları deneysel verilerle karşılaştırılmış, oldukça uyumlu sonuçlar elde edilmiştir.

Abstract:
After the industrial era, due to excessively increasing population and demand occuring energy exposure had been tried to be destroyed by using fossil fuels, however this situation had engrafted the world to a dead end. Tended extinction of fossil fuels and extreme ecological pollution had made people to head for new energy solutions. With renewable energy it has been looked around for preventing ecological pollution as well as finding for an alternative for fossil fuels. While hydrogen is one of the futuristic alternative energy, fuel cell technology which can produce electric from hydrogen is also a renewable, clean and high efficiency energy solution which is approved by majority. For producing electricity polimer electrolyte membrane (PEM) fuel cells which is using the hydrogen from electrochemical are been tried to develop especially used in transportation as an internal combustion engine. PEM fuel cells are upcoming manufacturing devices due to enviroment friendliness, high productivity, usage in low temperatures, working noiseless, however fuel cells are not used for commercial design yet because of some deficiencies. First of all the most essential factor is the membrane of PEM fuel cell's main course does not endure to the optimum life time, indicates mechanical and chemical damages in high temperatures and humidity. Due to these reasons membrane electrolyte is tried to be developed.In this study, while considering the working conditions of membrane in fuel cells which is the main component of proton exchange membrane fuel cells, through membrane materials by using Nafion 112; tensile test, DTA-TG experiment and air conditioning experiments were been made and then the samples taken from air conditioning device had been observed by (SEM) Scanning Electron Microscope and damages on those samples had been determined. Information acquired within the literature in modelling studies which had been totally observed the behaviour of polimeric material hadn?t been reflected to the actual model and by considering this deficiency the modelling studies had been implemented. By using the solutions from these experimental studies in this content it had been obtained the solution denoted viscoelastic-viscoplastic behaviour.The tensile behaviour of Nafion had been modelled through membrane materials in room temperature and disctinct high temperatures as widespread by using one of the viscoplasticity theories which is 'Viscoplasticity Theory Based On Overstress (VBO)? by using acquired datas from the experimental studies. Simulation results had been compared, quite harmonic results had been acquired.