Hidrojen yakıt pili membran elektrot bileşkesinin tasarımı ve yığınlarının iyileştirilmesi
Design of hydrogen fuel cell membrane electrode assembly and optimization of stacks
Yazar: HAKKI EVREN ERKAN
Danışman: PROF. DR. İSMAİL BOZ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Hidrojen = Hydrogen ; Katalizörler = Catalysts ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Yakıt pili teknolojisi, çevreye zararlı fosil yakıtların yerine öne çıkan en önemli alternatif enerji üretim sistemidir. Bunun başlıca sebepleri; yüksek enerji verimleri, çok çeşitli yakıt (esas olarak hemen hepsi hidrojen veya dolaylı hidrojen kaynağıdır; metanol, etanol vb.) seçeneklere sahip olmaları ve çevreye çok duyarlı olmaları olarak gösterilebilir. Çalışmamız kapsamında hazırladığımız MEA (Membran Elektrot Bileşkesi) yapısı yakıt pilinin `kalbi' olarak da nitelendirilebilir. Bu yapı temel olarak 3 ana kısımdan oluşmaktadır; anot, katot ve elektrolit membran. Anotta, hidrojen ve su katalizör vasıtasıyla proton ve elektrona dönüştürülür. Protonlar membran üzerinden katot tarafına geçerken, elektronlar dış devre üzerinden akarlar. Katotta ise proton ve elektronlar oksijen ya da kuru havanın etkisiyle suya indirgenirler. PEM (Proton Elektrolit Membran) yakıt pilleri için kullanılan en uygun katalizör karbon destek üzerine Pt katalizörüdür. Tez çalışması kapsamında, ticari olarak da yaygın biçimde kullanılan, bu katalizör kullanılmıştır.MEA yapısını birleştirmek için katalizör kaplı membran yöntemi kullanılmıştır. Bu işlem sıcak baskı cihazıyla gerçekleştirilmiştir. MEA yapısını oluşturmak ve bu yapıyı birleştirmek çok hassas bir süreçtir. İstenen sonuçlara ulaşmak için pek çok parametrenin (nem, sıcaklık, basınç vb.) optimizasyonunu sağlamak gerekmiştir. Çalışma kapsamında, gerekli parametrelerin optimizasyonu sağlanmış, literatürde yapılan çalışmalarda bulunan sonuçlara yakın performans gösteren MEA yapıları oluşturulmuştur. Bunun yanısıra, bir yakıt hücresi yığını tasarımı yapılmış ve tasarlanan farklı yapıdaki akış yollarının performans testleri, karşılaştırmalı olarak incelenmiştir.

Abstract:
Fuel cell technology seems to be the most important alternative energy production system against harmful fossil fuel technologies. Higher energy efficiencies, having various fuel options as hydrogen source and being sensitive to environment can count as the main reasons for that situation. Our main thesis subject, MEA (Membrane Electrode Assembly) structure, can be described as `the hearth of fuel cell?. MEA consists of 3 major components; anode, cathode and electrolyte membrane. At the anode, hydrogen and water are transformed to protons and electrons by catalyst layer. Protons are conveyed to cathode by membrane at which proton is reacted with oxygen at the surface of cathode. Meanwhile, electrons which could not penetrate in membrane, flows on outer circuit. At the cathode side, protons and electrons are reduced to water by the oxygen or dry air. The most proper catalyst for PEM (polymer electrolyte membrane) fuel cells is Pt on carbon support. In our thesis project, this catalyst is used as which generally used in commercial applications.We used catalyst coated membrane method to associate MEA structure. This process was performed by hot press device. It is a very sensitive process to compose and associate a new MEA structure. We have to optimize too many parameters as humidity, temperature, pressure etc. to reach desirable results. In our thesis project, the optimization of important parameters was ensured and we composed MEA structures which have comparable energy efficiencies in view of literature. In addition, a fuel cell stack design was made and the performance tests of different flow fields were investigated by comparative.