PEM tipi yakıt hücreleri için bipolar plaka geliştirilmesi
Development of bipolar plate for PEM type fuel cells
Yazar: FATİH AY
Danışman: PROF. DR. ALİ ATA
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Bentonit = Bentonite ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Sera etkisi, dalgalı enerji fiyatları, fosil yakıt kaynaklarının hızla tüketilmesi yeni enerji dönüştürücülerini (yakıt hücreleri) kamuoyu gündemine taşımaktadırlar. Yakıt hücreleri enerji verimliliği (% 60'a ulaşan verimler), sıfır emisyon ve merkezi olmayan enerji üretimi açısından faydaları en üst seviyeye taşıtdığından sabit ve mobil güç kaynağı olarak geleneksel enerji sistemleri yerine geçebilecek potansiyele sahiptirler. Bununla birlikte çalışma şartlarına göre birçok yakıt hücresi çeşidi olmasına rağmen yakıt hücresi teknolojileri alanında üzerinde en önemli araştırma geliştirme faliyetlerinin yapıldığı tür Proton Elektrolit Membranlı Yakıt Hücresi (PEMYH)'dir. En bilinir ve ticarileşme için en uygun olan PEM yakıt hücresinin, düşük çalışma sıcaklığı, nispeten hızlı dur-kalk, değişen yüklere hızlı cevap verme ve yüksek güç yoğunluğu gibi avantajı vardır.PEM yakıt hücresi için geliştirilmiş birden fazla hücreyi birbirine bağlayan, bilinen en iyi bağlantı elemanı olan bipolar plakalar yakıt hücreleri için önemli bir bileşendir. Bipolar plakalar, hücreler arası elektriksel iletkenlik sağlamak, reaktanları MEA yüzeyine dağıtmak ve sızıntılarını önlemek, MEA'yı mekanik olarak desteklemek ve oluşan ürünlerin (su, ısı vb.) ortamdan uzaklaştırılmasını sağlamak gibi çok önemli fonkisyonları yerine getirmektedirler. Mevcut çalışmalarda bipolar plaka malzemesi olarak gözeneksiz grafit, metal plakalar (kaplanmış veya kaplanmamış) ve çeşitli kompozitler kullanılmaktadır. Bunun yanında ticari uygulamalar da dahil olmak üzere en çok tercih edilen grafit polimer kompozit malzemelerdir.Kalıplanmış ve işlenmiş bipolar plaka performansı yakıt hücresi imalatında genellikle kabul görmektedir. Grafit kompozit malzeme kırılgan olduğundan, bu plakalar bir kaç mm kalınlıkta üretilmelidirler ki bu da daha ağır ve daha az kompakt bir yakıt hücresi anlamına gelmektedir. Yığının ağırlığın ve hacminin azaltılabilmesi için mekanik olarak mukavemetli ve elektriksel olarak iletken plakalar üretilmelidir.Bu tezde sodyum bentonit katkısı ile yakıt hücresinde su yönetimine yardımcı olunurken bipolar plaka tasarım kriterlerini de sağlayan grafit-polimer kompozit bipolar plakalar üretmek amaçlanmaktadır. Soyum bentonit suda ıslatıldığında kuru ağırlığının bir kaç katına kadar genleştiğinden bu gaz difüzyon tabakası ve akış kanalları gibi yakıt hücresi bileşenleri üzerinden suyun emilimine yardım edecektir.Böylece bir sodyum bentonit/grafit-polimer kompozit plaka için olası su taşkınları önlenmiş olacaktır. Grafit tozları ile ticari bakalit, fenolik reçineler, epoksiler, vinil ester gibi termosetler ve sodyum bentonitten karıştırılarak elde edilmiş kompozitler basınçlı kalıplama metodu ile üretilmişlerdir ve elektriksel iletkenlikleri, mekanik dayanımları, elektrokimyasal performansları, gaz geçirgenlikleri, hidrofobiklikleri burada sunulmuştur.

Abstract:
The greenhouse effect, unsteady energy prices, and rapidly consumption of the fossil fuel resources are putting the new energy converters (fuel cells) at the center of public interest. Since the fuel cells offer to maximize the benefits in terms of energy efficiency (up to 60%), zero-emission and decentralized energy production, they have the potential to replace with the conventional energy systems as stationary and mobile power source. Whereas there are several types of the fuel cells in respect of running conditions, Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) is the most used one and the most important research and development studies are performed on the PEMFC technology around the scientific-technologic platforms. PEMFC, which is the most popular fuel cell type and suitable for commercialization, has advantages of high power density, low operating temperature, relatively quick start up, and rapid response to varying loads .An important part of the PEMFC stack is the bipolar plates (BPs), which is the best developed element connects more than one cells to each other. Bipolar plates have very important functions such as providing electrical conductivity between each cell, distributing reactants to the surface of the Membrane Electrode Assembly (MEA) and preventing the leakage, supporting the MEA mechanically and removing the products (water, heat etc.) from the environment. In the current studies non-porous graphite, metal plates (coated or non-coated), and various composites are used as the bipolar plate material. In addition to this including the commercial applications the most preferred bipolar plate materials are graphite polymer composites.The performance of molded and machined graphite bipolar plate is adopted extensively in the construction of PEMFC. Since, the graphite composite material is brittle; it should be produced several millimeters thick which means that a heavier and less compact fuel cell stacks. To reduce the weight and the volume of the stack, mechanically strong and electrically conductive plates should be fabricated.In this thesis, it is aimed that producing polymer-graphite composite bipolar plates which satisfy the bipolar plate production criteria by helping the water management in the PEMFC by using sodium bentonite additive. Since sodium bentonite expands when wet, possibly absorbing several times its dry mass in water, it would help the absorption of the water from the surface of the fuel cell components such as GDL, and the flow fields. Hence, possible water flooding could be prevented by a sodium bentonite/graphite-polymer composite bipolar plate. The composites made of graphite particles mixed with thermosetting resins such as commercial bakelite, phenolics, epoxies and vinyl esters and sodium bentonite were produced by compression molding method, and its electrical conductivity, mechanical strength, electrochemical performance, gas permeability, water absorption ratio, hidrofobicity, were presented here.