Yüksek sıcaklık PEM yakıt hücrelerinde metal bipolar tabakanın korozyon direncinin geliştirilmesi
Improving corrosion resistance of the metal bipolar plates at high temperature proton exchange membrane(PEM) fuel cells
Yazar: ZEHRA AKMER KARAHANOĞLU
Danışman: PROF. DR. ALİ ATA
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Hidrojenle çalışan Polimer Elektrolit Membranlı(PEM) yakıt pilleri, güvenli ve temiz enerji çevrim araçları olarak kabul görmektedir. Ancak, CO toleranslarının çok düşük olması nedeniyle, kullanılan reforme gazlarının enerji yoğun işlemler ile saflaştırılmaları gerekmektedir. Bu nedenle, araştırmacılar yüksek sıcaklıkta çalışmaları nedeniyle CO toleransı oldukça yüksek olan Yüksek Sıcaklık Polimer Elektrolit Membranlı(HTPEM) yakıt pillerine odaklanmıştır. HTPEM yakıt pillerinde maliyetin ve ağırlığın büyük bir kısmını bipolar plakalar oluşturmaktadır. Metal bipolar plakalar, seri üretim olanağı, düşük gaz geçirgenliği ve yüksek sıcaklıkta mekanik dayanım sağlayabilmekte ancak yüksek elektriksel iletkenliğinin korunabilmesi için metalin korozyonunun azaltılması gerekmektedir. Bu çalışmada metal bipolar plakaların korozyon direncinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Taban metal olarak seçilen yumuşak demir, 304 ve 316 kalite çelikler üzerine CrN, TiN ve AlTiN kaplamalar Fiziksel Buhar Biriktirme(PVD) yöntemiyle, nikel ise elektrokimyasal yöntemle kaplanmıştır. Kaplamaların oluşumu X-Işını Difraksiyonu(XRD) ile doğrulanmış ve bileşimleri Enerji Ayırıcı X-ışını Spektroskopisi(EDAX) ile belirlenmiştir. Kaplama kalınlıkları Taramalı Elektron Mikroskobu(SEM) görüntüleri alınarak ölçülmüş, kaplama yüzeyinde oluşabilecek mikroçatlaklar optik mikroskop görüntüleriyle incelenmiştir. Numunelerin korozyon hızları HTPEM korozyon ortamına benzer koşullarda tafel ekstrapolasyon yöntemi kullanılarak tespit edilmiş ve uygulanan kaplamaların korozyon dirençlerini geliştirdiği belirlenmiştir. Korozif ortama maruz bırakılan numunelerin elektriksel iletkenlikleri ölçülmüş ve kaplama uygulanan numunelerin elektriksel iletkenliklerindeki düşüşün daha az olduğu görülmüştür.
Anahtar Sözcükler: HTPEM, Metal Bipolar Tabaka, Korozyon

Abstract:
Hydrogen-operating PEM fuel cells are acknowledged as safe and clean energy converters. However, due to their low CO tolerances, reformate gases used should be raffinated by high energy applications. Hence, researchers have focused on High Temperature PEM(HTPEM) fuel cells which have high CO tolerance due to the high operating temperatures. Bipolar plates constitute a considerable part of the weight and cost of HTPEM fuel cells. Though metal bipolar plates can provide means for mass production, low gas permeability, and mechanical resistance at high temperatures, the corrosion of metal surfaces should be reduced to sustain high electrical condactivity. In this work, we aim at improving the corrosion resistance of metal bipolar plates. Among the selected base metals, soft iron, 304 and 316 quality steel alloys have been coated with CrN, TiN and AlTiN by Physical Vapor Deposition(PVD), while nickel has been coated by electrochemical coating. The existences of coatings have been verified by X-Ray Diffraction(XRD), their compounds have been analysed by Energy Dispersive X-ray spectroscopy(EDAX). The thickness of coatings have been measured by visualisation via Scanning Electron Microscope(SEM), and the micro cracks, which might be formed on coating, have been observed via optical microscope. The corrosion rates of samples have been detected by the tafel extrapolation method subject to conditions similar to HTPEM environment, and it has been deduced that the applied coatings improve corrosion resistance. Electrical conductivity of  materials have been measured after exposition to corrosion, and it has been observed that the coated samples suffer less reduction in conductivity.
Keywords: HTPEM, Metal Bipolar Plate, Corrosion