Yakıt hücreleri için bipolar kompozit tabaka hazırlanması
Composite bipolar plate production for the fuel cells
Yazar: OĞUZHAN AKINÇ
Danışman: PROF. DR. NURSEL DİLSİZ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Bölümü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Yeni enerji teknolojisi kapsamında, yakıt hücreleri sahip olduğu pek çok olumlu özellik ile ön plana çıkmaktadır. Yakıt hücreleri, yakıt ve oksitleyicinin bileşimine, yakıtın dolaylı veya direk yoldan verilmesine, kullanılan elektrot ve elektrolit cinsine, çalışma sıcaklığına bağlı olarak farklı gruplar altında toplanabilir. Bu gruplar içinde basit yapısı, yüksek verimi, çevre dostu çalışma özellikleri olması nedeniyle, Proton Değişim Membran Yakıt Hücresi, günümüzde üzerinde en çok çalışma yapılan ve gelecekte de en çok kullanım alanı bulacağına inanılan yakıt hücrelerinin başında gelmektedir.Yakıt hücresi içerisinde bulunan bipolar tabaka, çok-fonksiyonlu karaktere sahip proton değişim membran yakıt hücreleri için anahtar bileşendir. Yakıt gazının ve havanın uniform şekilde dağılımını, hücreden hücreye elektrik akımının aktarılmasını, aktif alandan ısının giderilmesini ve gazların sızmamasını sağlar. Bipolar tabakalar aynı zamanda yakıt hücresinin hacmi, ağırlığı, performansı ve fiyatı üzerinde de büyük etkiye sahiptir. Bu nedenle bipolar tabakaların yapımında kullanılacak uygun malzemelerin bulunması için araştırmalar yoğun şekilde devam etmektedir.Yürütülen bu çalışma ile PEM Yakıt Hücrelerinde kullanılmak üzere, yüksek mekanik mukavemet ve termal dayanım ile elektrik iletkenliğine sahip, hafif kompozit bipolar tabaka hazırlanması amaçlanmıştır. Yapılan çalışma ile polipropilen matrise %10, 15, 20, 25, 30 oranlarında grafit katılarak kompozit bipolar tabaka hazırlanmıştır. Hazırlanan kompozit malzemelerden elektriksel iletkenliği en yüksek olan numune %30 katkılı numunedir. Mekanik ve termal karakterizasyon testleri sonucunda en iyi sonuç veren %20 grafit katkılı numuneye %0,5 oranında karbon nano fiber (CNF) katılmıştır. Karbon nano fiber katılmamış olan %20 grafit katkılı numunenin elektrik iletkenliği 141,60 (ohm.cm)-1 olarak tespit edilmiş, bu numuneye %0,5 oranında karbon nano fiber katıldıktan sonra iletkenliğin 192,10 (ohm.cm)-1'e yükselmiştir. %20 grafit katkılı numune 30,18 MPa ile en yüksek çekme dayanımını göstermiştir. %0,5 CNF katkısı ise malzemenin çekme dayanımının 22,99 MPa düşürürken malzemenin uzama miktarını artırmıştır. SEM mikrografları ve termogravimetrik analizlerde incelenen numunelerin tümü değerlendirildiğinde, %20'lik grafit katkısının tek başına dayanım ve termal özellikler açısından diğer numunelere göre daha dayanıklı olduğunu ortaya koymuştur. CNF katkısı ise özellikle elektrik iletkenliğinin artması yönünde büyük etkiye sahiptir.

Abstract:
In the scope of new energy technologies, fuel cells draw attention due to their many useful features. Fuel cells could be grouped under several titles according to their fuel and oxidizer composition, feeding the fuel directly or indirectly, type of electrode and operating temperature. In these different groups, Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) are the one in the lead that have many studies are being made on them today and that is believed to have many usage areas in the future, due to its simple structure, high efficiency and environment friendly operating features.Bipolar plates are the key component of proton exchange membrane fuel cells with multifunctional characters. They distribute fuel gas and air uniformly, conduct electrical current from cell to cell, removal of the heat from the active area and prevent leakage of gases. Bipolar plates have also significant effect on volume, weight, performance and cost of the fuel cell. Due to these significant effects, a huge research is going on the worldwide in order to determine the suitable materials to produce bipolar plates.The aim of this study is to prepare light composite bipolar plates fort he PEM Fuel Cells that has high mechanical strength and thermal durability. Graphite is added to the polypropylene to prepare bipolar plate in 10%, 15%, 20%, 25% and 30% ratios in this study. The highest electrical conductivity value is achieved with the 30% graphite added composite sample. 0,5% carbon nano fiber (CNF) is added in addition to 20% graphite added sample, which has the best results according to the thermal and mechanic tests related to the other samples. 20% graphite added sample?s, which has no CNF, electrical conductivity is 141,60 (ohm.cm)-1 and then CNF is added to this sample in 0,5% and the electrical conductivity had increased to 192,10 (ohm.cm)-1. 20% graphite added sample has the highest tensile strength related to the other graphite added samples with 30,18 MPa. 0,5% CNF addition has lowered the tensile strength to 22,99 MPa, but the amount of strain has increased. When all the SEM micrographs and thermogravimetric analiysis of the samples are taken into account 20% graphite added sample has the best mechanical and thermal durability related to the other samples. CNF addition has an influence on electrical conductivity.