Yakıt pillerinde kullanılan metal bipolar plaka kaplama elektriksel temas direncinin sayısal analizi
Tez Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: İstanbul Teknik Üniversitesi, Enerji Enstitüsü, Enerji Bilim ve Teknoloji, Türkiye
Tez Danışmanı: Mehmet Suha Yazıcı, Dilek Kumlutaş
Tezin Onay Tarihi: 2025
Tezin Dili: Türkçe
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:
PEM yakıt pilleri, sıfır emisyonlu ve yüksek enerji yoğunluğu gibi özellikleri sayesinde karbon nötr geleceğe geçişte önemli bir enerji sistemi olma potansiyeli taşımaktadır. Yakıt sağlandığı sürece kesintisiz enerji üretimi sağlaması ile günümüzün içten yanmalı motorlarına benzerlikler gösteren PEM yakıt pilleri, ulaşım alanında geleceğin teknolojisi olarak görülmektedir. Önümüzdeki yıllarda PEM yakıt pili ile çalışan araçların artması ve ticari olarak pazara dahil olması için teknolojik gelişmeler devam etmektedir. Yakıt pillerinin birbirine seri olarak bağlanması ile yüksek güç değerlerine çıkılabilir. Yakıt pillerini elektriksel olarak birbirine bağlayan bileşenler bipolar plakalardır. Bipolar plaka iki kutuplu olması sebebiyle bir hücrenin anot tarafında diğer hücrenin ise katot tarafında gazların yakıt piline iletilmesini sağlayan ve yakıt pilinin yapısal bütünlüğünü koruyan grafit veya metal esaslı iletken plakalardır. Yakıt pillerinin ulaşım alanında ulaşması gereken temel hedeflerden biri kompaktlıktır. Bu gerekliğin nedeni ulaşım araçlarının sınırlı hacmi nedeniyle, bir yakıt pili yığını içerisinde daha fazla hücrenin bulunabilmesi ve böylece enerji yoğunluğunun maksimize edilebilmesidir. Bu sebeple, bipolar plaka kalınlığının mümkün olduğunca ince üretilmesi gerekli hale gelmiştir. Geleneksel olarak kullanılan grafit bipolar plakalar, üstün elektriksel iletkenlik özelliklerine ve korozyon direncine sahip olmasına rağmen, mekanik dayanımının düşük olması nedeniyle 1 mm ile 5 mm arasında kalınlıklarda üretilebilmektedir. Buna karşın, daha yeni bir plaka malzemesi olan metal bipolar plakalar, üstün mekanik dayanımı ile 0.1 mm ile 1 mm arasında üretilebilmektedir. Fakat metal bipolar plakaların, yakıt pili çalışma ortamında korozyon dayanımı çok düşük kalmaktadır. Bu durum, yakıt pili hücresi ile metal bipolar plaka arasındaki temas direncinin artmasına yol açmaktadır. Korozyon direncinin artışı ile bipolar plaka ile gaz difüzyon arasında biriken metal oksitler Arayüzey elektriksel temas direncini sınırlamaktadır. Bu etkilerden dolayı, metal bipolar plakaların korozyona dirençli kaplamalar ile kaplanması ve korozyon direncinin artırılması sağlanmaktadır. PEM yakıt pili simülasyonları, PEM yakıt pilinin içerisindeki etkileri görebilmek için kullanılan sayısal yöntemlerdir. Bipolar plakalı akış kanalları olmak üzere, yakıt pilinin farklı bileşenlerinin özellikleri simüle edilerek yakıt pili performans analizleri gerçekleştirilmektedir. Metal bipolar plakalı PEM yakıt pilleri için yapılan birçok sayısal analiz literatürde bulunmaktadır. Ancak metal bipolar plakaların arayüzey elektriksel temas direnç etkileri, sayısal modellemelere eklenmemiştir. Bu tez kapsamında, literatürde izlendiği kadarıyla ilk kez metal bipolar plakalı PEM yakıt pilinin arayüzey elektriksel temas dirençleri modellenmiş ve literatür ile doğrulanmıştır. Böylece, metal bipolar plakalı yakıt pilinin arayüzey elektriksel temas direncinin yakıt pili performansına etkisi ortaya çıkarılmıştır. Ayrıca zamana bağlı bozunumlar kaplamanın temas direnci ve diğer iki parametre üzerinden tespit edilmiştir. Farklı kaplama türlerinin yakıt pili performansına etkisi sayısal olarak analiz edilmiştir. CrN kaplaması, 0.65 V çalışma geriliminde, kaplamasız modele kıyasla yaklaşık %24 oranında güç kaybını yaşamıştır. Titanyum Nitrür kaplama için ise aynı voltajda güç kaybı yaklaşık %9 olarak belirlenmiştir. Bu durum, kaplamalı metal bipolar plakaların neden olduğu performans düşüşünün yakıt pili verimliliğindeki etkisini göstermiştir. Diğer bir çalışma da metal bipolar plakanın kaplama uygulanmaksızın temas direnci modele uygulandığında, güç üretiminin %50’ye varan oranlarda azaldığı gözlemlenerek kaplamanın metal bipolar plaka için kritik önemi resmedilmiştir. Literatürde bildirilen zamana bağlı temas direnci etkisi, bu çalışma kapsamında da incelenmiş ve ikincil doğrulama yöntemiyle modellemenin güvenilirliği desteklenmiştir. Altın ve karbon kaplamalara ilişkin uzun dönemli etkiler sayısal modelleme ile vurgulanmıştır. Altın kaplamanın yakıt piline olan etkisi akı yoğunluğu ve oksijen kütle oranı gibi iki farklı metrik üzerinden analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, metal bipolar plakalı yakıt pillerinde temas direncinin zamanla değiştiğini ve bu nedenle kaplama seçiminde uzun dönemli performansın göz önünde bulundurulması gerektiğini göstermiştir. Ancak amorf karbon (a-C) kaplamalı bipolar plakaların zamanla çok az değişen temas direnci değeri tespit edilmiştir. Bu durum karbon kaplamasının ticarileşmesi için önemli bir nokta olduğu görülmüştür. Son çalışmada yalnızca temas direnci değil, diğer bozunma parametreleri olan katalizör yüzey alanı ve membran iletkenliği gibi etkiler ile endüstri odaklı bir analiz yapılmıştır. 4 μV/saat voltaj kayıp oranı temel alınarak 20.000, 30.000 ve 40.000 saatlik senaryolar için projeksiyonlar hazırlanmış ve %10 ila %20 arasında değişen bozunma tahminleri elde edilmiştir. Bu çalışma, kaplamaların temas direnci etkisini dikkate alarak yalnızca başlangıç performansını değil, aynı zamanda uzun dönemli yakıt pili sistemlerinin performans bozunma projeksiyonlarını da sunmaktadır. Bu bağlamda, ilk kez metal bipolar plakaların temas direnci etkisi hesaba katılarak gerçekleştirilen simülasyon çalışmaları sayesinde farklı kaplama türlerinin seçiminde alandaki bilgi dağarcığını artırmakta ve literatüre özgün bir katkı sunmaktadır.