PEM yakıt hücreleri için bipolar tabaka geliştirilmesi
Development of bipolar plates for PEM fuel cells
Yazar: SAVAŞ ÖZTÜRK
Danışman: PROF. DR. ALİ ATA
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Fosil kaynaklı yakıtların dünya enerji çevriminde son dönemine girildiği ve hidrojen enerji çevrimine geçileceği bilimsel ve teknik çevrelerce gittikçe artarak seslendirilmektedir. Hidrojen enerji çevriminin en önemli unsuru şüphesiz hidrojeni elektrokimyasal yöntemle elektriğe dönüştüren yakıt pilleridir. Fosil kaynaklı yakıtlarda kullanılan enerji dönüştürücü içten yanmalı motorlara oranla daha verimli, ekonomik, sessiz ve çevre ile uyumlu olmaları sebebiyle gelecekte gerek sabit uygulamalarda gerekse araçlarda enerji üretiminde yaygın olarak kullanılmaları amaçlanmaktadır. Yakıt pillerinin çalışma özelliklerine göre birçok çeşitleri olmakla birlikte en çok kullanılan PEMFC (proton exchange membrane fuel cell) tipidir ve bilimsel-teknolojik çevrelerde en önemli araştırma ve geliştirme çalışmaları PEMFC teknolojileri üzerinedir.Tek bir hücreden elde edilebilecek voltaj hücrede meydana gelen elektrokimyasal reaksiyona bağlı olup 1 V'nin altındadır. Bu nedenle daha yüksek voltajlar elde edilebilmesi için hücrelerin seri bağlanması gerekmektedir. Seri bağlamanın en kolay yolu bir hücrenin anodunu diğer hücrenin katoduna bağlamaktır. Bu metotla bağlamada elektronlar, elektrot içinden bağlantı noktasına kadar gitmek zorunda kaldıkları için voltaj düşmektedir. Birden fazla hücre arasında bağlantı yapabilmek için geliştirilen en iyi bağlantı aracı bipolar plakalardır. Bipolar plaka bir hücrenin tüm katot yüzeyi ile diğer hücrenin tüm anot yüzeyini birleştirmektedir. Bipolar tabaka iyi bir seri bağlama aracı olmakla beraber aynı zamanda katoda oksijen ve anoda yakıt sağlayan kanalları da bulundurmaktadır. Yakıt ve oksijenin birbirine karışmaması için çok iyi dizayn edilmesi gerekmektedir. Bipolar tabaka ile sadece bir kenar yerine tüm yüzeyinden elektrik toplamak mümkün olmaktadır. Bipolar tabakanın görevleri aşağıda özetlenmiştir:1.Gaz ve yakıtın aktive alanlara düzenli bir şekilde dağıtılması2.Aktif alanlardan ısının atılması3.Hücreden hücreye akımın iletilmesi4.Gaz ve yakıtın sızıntısının önlenmesi5.MEA(Membran Elektrode Assembly) `nın mekanik olarak desteklenmesi6.Birim hücrelerin birbirinden ayrılmasıBipolar plaka malzemesinin korozyona dayanıklılık, elektronik iletkenliği, gaz difüzyon/geçirgenlik, işlenebilirliği, yoğunluğu, ısıl iletkenliği malzeme seçiminde önemli parametrelerdir.Bipolar plaka malzemesi olarak, elektro ? grafit, karbon ? karbon kompozit, metal levha, grafit ? polimer kompozitler kullanılmaktadır. Grafit-polimer kompozit bipolar plakalar (GPKBP) PEM yakıt hücresi ortamında yüksek korozyon direnci göstermektedirler. Üretim maliyetinin düşük olması ve seri üretime uygun olması bipolar plaka üretiminde grafit-polimer kompozitlerinin kullanımını cazip göstermektedir. GPKBP üretiminde PVDF, LCP, PPS gibi termoplastik reçineler ve fenolikler; epoksiler ve vinil esterler gibi termosetler kullanılmaktadır.Grafit-kompozit bipolar plakaların yukarıdaki avantajlarının yanında elektriksel iletkenlikleri ve mekanik özellikleri zayıftır. Elektriksel iletkenliği sağlayabilmek için minimum 60% grafit kullanmak gerekmektedir.Ekonomik yakıt hücreleri geliştirilmesi hidrojen ve oksijeni elektrik ve suya dönüştürerek çevresel kirliliği önleyip temiz enerji olan hidrojen enerjisi kullanımına önayak olacaktır. Türkiye'nin dışa bağımlı olduğu petrol giderlerinin azaltılmasına katkı sağlayacağı öngörülmektedir.Anahtar Kelimeler: Yakıt Hücresi, bipolar plaka

Abstract:
Scientific and technical circles are speaking about the end of the fossil-fuel age and the start of sustainable hydrogen energy cycle. Doubtless the most important elements of the hydrogen energy cycle are the fuel cells which convert the hydrogen electrochemically into the electricity. In the future, since the fuel cells are more efficient, more economic, quieter, more friendly with the environment than the ICE that is used for the energy conversion of the fosil fuels, the extensive usage of the fuel cells to produce energy for the vehicular applications whereas for the stationary applications, is intended. Whereas there are several types of the fuel cells in respect of running conditions, PEFC is the most used one and the most important research and development studies are performed on the PEFC technology around the scientific-technologic platforms.The voltage which is acquired from the single cell is releated to the electrochemical reaction and is under the value of 1 V. So, it is necessary to connect the cells in serial to get more voltage. The easiest way of the serial connection is to attach the anode of one cell to the cathode of the other cell. Since the electrons have to travel from the inside of the electrode to the connection point, the voltage decrease occurs. The best developed elements connects more than one cells to each other are bipolar plates. The bipolar plates combine the cathode side of one cell to the anode side of the other cell. While the bipolar plate is a good serial connection tool, at the same time it has the channels that provide oxygen to the cathode and the fuel to the anode. It has to be well designed since the fuel and the oxygen are not mixed to each other. It is possible to collect the current from the whole surface instead of just from one edge. The functions of the bipolar plates are summarized as below:1.To distribute the fuel and oxidant within the cell2.To facilitate heat management3.To carry current from one cell to the other4.To prevent the leakage of the fuel and the oxidant5.To support the MEA(Membran Elektrode Assembly) mechanically6.To seperate individual cells in the stackThe corrosion resistance, the electrical conductivity, the gas diffusion/permeability, the processability, the density, the thermal conductivity are the important parameters for the bipolar plate materials.Electro-graphites, carbon-carbon composites, sheet metals, graphite-polymer composites, are used as the bipolar plate materails. Graphite-polymer composite bipolar plates show high corrosion resistance in the acidic fuel cell environment. Since they offer lower cost and greater ease of manufacturing, graphite-polymer composites are used for the production of the bipolar plates. Thermoplastic resins such as PVDF, LCP,PPS and thermosetting resins such as phenolics, epoxies and vinyl esters have been used in fabricating composite bipolar plates.Besides above advantages of the composite bipolar plates, their electrical conductivities and mechanical properties are very poor. A minimum %60 (wt) graphite has to be used for providing the electrical conductivity.Improvement of the economical fuel cells, which prevent the pollution by converting the hydrogen and oxygen into electricity and water, will lead to the usage of the clean hydrogen energy. On the otherhand, it will contribute to decrease in the amount of the oil expenses of the Turkey.Keywords: Fuel cells, bipolar plates