Ölü-uç modunda çalıştırılan PEM tipi yakıt pili yığınında, performansı etkileyen su baskını olayının bipolar plakaların kaplanması ile iyileştirilmesinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi

Taymaz, Imdat; ASLAN, Erman

Ölü-uç modunda çalıştırılan PEM tipi yakıt pili yığınında, performansı etkileyen su baskını olayının bipolar plakaların kaplanması ile iyileştirilmesinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi

Yürütücü

İmdat TAYMAZ (Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Sakarya, Türkiye)

Araştırmacı(lar)

Erman ASLAN (Adres Yazılmamış)

1 2

Proje Grubu: MAG Sayfa Sayısı: 64 Proje No: 216M045 Proje Bitiş Tarihi: 15.04.2018 Metin Dili: Türkçe İndeks Tarihi: 08-01-2020

Ölü-uç modunda çalıştırılan PEM tipi yakıt pili yığınında, performansı etkileyen su baskını olayının bipolar plakaların kaplanması ile iyileştirilmesinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi

Öz:

Yakıt pillerinde bipolar plakalar, piller arasında elektrik iletimini, ısı iletimini sağlayan, pil içinde reaktan gazları dağıtan, pilleri birbirinden ayıran ve pil içinde su yönetimini sağlayan elemandır. Her bir akış alanı plakası, MEÜ'nin gaz ile temasını maksimum seviyede sağlamak için, kıvrımlı bir gaz kanalından oluşur. Genel olarak bipolar plakalarda olması gereken özellikler, güç kaybını en aza indirmek için elektriksel olarak iletken olmalı, piller arasında sıcaklık farkı oluşmasını engellemek için ısıl olarak iletken olmalı, reaktan gazların birbirine karışmasını önlemek için gözeneksiz olmalı, pil içinde su oluştuğundan dolayı da neme karşı dirençli olmalıdır. Bu sebeplerle PEM yakıt pili performansını etkileyen parametrelerin başında yer alan bipolar plakaların özellikle su yönetiminde önemli rolü vardır. Eğer üretilenden daha fazla su tüketilirse anottan gelen gazın nemlendirilmesi gerekir, çok fazla nemlendirme olursa da elektrot taşar ve kanalları tıkayarak su baskını meydana getirir. Bu nedenle anotta su baskını olayını önlemek için yapılan çalışmalardan biri de bipolar plakaların akış kanallarının hidrofilik veya hidrofobik malzemelerle kaplamaktır. Bu projede toplamda 150 cm2 aktif alana sahip 3 hücreli PEM tipi yakıt pili yığınının akış kanalları, farklı su tutma kapasitelerine sahip PTFE ve SiO2 malzemeleri ile PVD yöntemi kullanılarak kaplanmış ve su yönetiminde en önemli parametre olan su baskınının pil performansına etkisi, kaplanmamış PEM yığını ile kıyaslanarak incelenmiştir. Öncelikle kaplama işlemleri tamamlanan hidrofobik (temas açısı=120°) karakterde PTFE plakaları ve hidrofilik (temas açısı=30°) karakterde SiO2 plakalarının ayrıca kaplanmamış plakaların montaj işlemleri yapılarak, PEM yakıt pili test düzeneğinde değişken pil sıcaklığı ve akış debisi ile girilen Voltaj değerinde akım değerleri ölçülmüş, sonuç olarak polarizasyon eğrileri oluşturulmuştur. Elde edilen eğrilerden bu üç pil yığınında en yüksek performansı alınan pil yığını için deney tasarım programı olan Design Expert 11.02(deneme sürümü) ile yanıt yüzey yöntemi (Response Surface Methodology) kullanılarak deneyler yapılıp verilen işletme şartlarında optimum çalışma koşulları belirlenmiştir. Anot çıkışına uygulanan ölü-uç yönteminde ise kuru besleme yapılarak nemli beslenen şartlarda alınan performans ile kıyaslanmış ve herhangi bir düşüş gözlemlenmemiştir. Bu ise kuru beslemede su yönetimine olumlu etki yaptığı anlamına gelmektedir. Katot çıkışına uygulanan ölü-uç yönteminde ise voltaj-zaman eğrisinde su yönetimi açısından performans düşüklüğünü gösteren ciddi dalgalanmalar oluşmuştur.

Anahtar Kelime: kaplama bipolar plaka su baskını su yönetimi PEM yakıt pili

Konular: Malzeme Bilimleri, Özellik ve Test Malzeme Bilimleri, Kaplamalar ve Filmler

Erişim Türü: Erişime Açık

Ay, F. ,Arslan, M.A.2010. “PEM tipi yakıt hücreleri için Grafit-Polimer kompozit bipolar plaka geliştirilmesi“,Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi,7(2),73-79.
Cho, E.A. ,Jeon, U.S. ,Hong, S.A. , Oh, I.H., Kang, S.G. 2005. “Performance of a 1kW-class PEMFC stack using TiN-coated 316 stainless steel bipolar plates“, Journal of Power Sources,142, 177–183.
Chung, C.Y., Chen, S.K, Chiu,P.J., Chang,M.H., Hung, T.T., Ko ,T.H. 2008. “Carbon film- coated 304 stainless steel as PEMFC bipolar plate“ ,Journal of Power Sources,176,276–281. Dutta,S., Shimpalee,S.,Van Zee,J.B.2001” Numerical prediction of mass-exchange between cathode and anode channels in a PEM fuel cell”, International Journal of Heat and Mass Transfer,44,2029-2042.
Feng, K., Cai, X., Sun, H., Li, Z., Chu, P.K. 2010. “Carbon coated stainless steel bipolar plates in polymer electrolyte membrane fuel cells“, Diamond and Related Materials, 19, 1354–1361.
Fu, Y. , Hou, M., Xu, H. , Hou, Z. , Ming, P. , Shao, Z. , Yi, B. 2008. “Ag– polytetrafluoroethylene composite coating on stainless steel as bipolar plate of proton exchange membrane fuel cell “,Journal of Power Sources,182, 580–584.
Fu, Y., Lin, G., Hou, M., Wu, B., Shao, Z., Yi, Y.2009. “Carbon-based films coated 316L stainless steel as bipolar plate for proton exchange membrane fuel cells“, International Journal of Hydrogen Energy, 34,405-409.
Gomez, A., Raj, A., Sasmito, A.P., Shamim, T. 2014. “Effect of operating parameters on the transient performance of a polymer electrolyte membrane fuel cell stack with a dead-end anode“,Applied Energy,130, 692–701.
He,W., Yi,J.S., Nguyen,T.V.2004.” Two‐phase flow model of the cathode of PEM fuel cells using interdigitated flow fields”, Materials, Interfaces and Electrochemical Phenomena,46, 2053-2064.
Hsieh,S.S., Her,B.S., Huang,Y.J. 2011“Effect of pressure drop in different flow fields on water accumulation and current distribution for a micro PEM fuel cell“,Energy Conversion and Management, 52,975–982.
Hwang, J.J. 2013. “Effect of hydrogen delivery schemes on fuel cell efficiency“, Journal of Power Sources, 239, 54-63.
Jang, J.H., Yan, W.M., Chiu, H.C., Lui, J.Y. 2015. “Dynamic cell performance of kW-grade proton exchange membrane fuel cell stack with dead-ended anode “, Applied Energy, 142, 108–114.
Kinumoto, T., Nagano, K., Tsumura, T., Toyoda, M. 2010. “Thermal and electrochemical durability of carbonaceous composites used as a bipolar plate of proton exchange membrane fuel cell“, Journal of Power Sources, 195, 6473–6477.
Kim, M., Choe, J., Lim, J.W., Lee, D.G. 2015. “Manufacturing of the carbon/phenol composite bipolar plates for PEMFC with continuous hot rolling process“, Composite Structures, 132, 1122–1128.
Lee, Y.B. , Lee, C.H. , Kim, K.M., Lim, D.S. 2011. “Preparation and properties on the graphite/polypropylene composite bipolar plates with a 304 stainless steel by compression molding for PEM fuel cell “,International Journal of Hydrogen Energy, 36, 7621-7627.
Lee, H.Y.,Lee, S.H., Kim, J.H., Kim, M.C., Wee, D.M. 2008. “Thermally nitrided Cu–5.3Cr alloy for application as metallic separators in PEMFCs“,International Journal of Hydrogen Energy,33,4171-4177.
Lim, J.W., Kim, M., Lee, D.G.2014. “Conductive particles embedded carbon composite bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells“, Composite Structures, 108, 757– 766.
Lobato,J., Canizares,P., Rodrigo, M.A., Pinar,F.J., Mena,E., Ubeda,D.2010” Three- dimensional model of a 50 cm 2 high temperature PEM fuel cell. Study of the flow channel geometry influence”, International Journal of Hydrogen Energy, 35, 5510-5520.
Lu, Z., Rath, C., Zhang, G., Kandlikar, S.G. 2011. “Water management studies in PEM fuel cells, part IV: Effects of channel surface wettability, geometry and orientation on the two- phase flow in parallel gas channels“, International Journal of Hydrogen Energy, 36, 9864- 9875.
Maslan,N.H., Gau,M.M., Masdar,M.S., Rosli,M.I.2016,”Simulation of porosity and PTFE content in GDL on PEMFC performance”, Journal of Engineering Science and Technology, 11, 85 – 95.
Mawdsley, J.R., Carter, J.D., Wang, X., Niyogi, S., Fan, C.Q., Koc, R., Osterhout, G. 2013. “Composite-coated aluminum bipolar plates for PEM fuel cells“,Journal of Power Sources, 231, 106-112.
Meng,H. 2006.”A three-dimensional PEMFC model with consistent treatment of water transport in MEA”, Journal of Power Sources, 162, 426-435.
Muthukumar, M., Karthikeyan, P.2016. ”Effect of different cross-sections of single flow channel on the performance of PEMFC” Int J Adv Engg Tech. ,7,302-305
Myung, S.T., Kumagai, M., Asaishi, R., Sun, Y.K., Yashiro,H. 2008 “Nanoparticle TiN-coated type 310S stainless steel as bipolar plates for polymer electrolyte membrane fuel cell“,Electrochemistry Communications, 10, 480–484.
NASA Glenn Research Center. “A Comparison of Flow-Through Versus Non-Flow-Through Proton Exchange Membrane Fuel Cell Systems for NASA’s Exploration Missions“. http://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20100023189 Son erişim tarihi: 04 Eylül 2015.
Nowak, A.P., Salgueroa T. T., Kirbya, K. W., Zhongb,F. , Blunk, R.H.J. 2012. “A conductive and hydrophilic bipolar plate coating for enhanced proton exchange membrane fuel cell performance and water management“,Journal of Power Sources,210,138-145.
Oh, M.H., Yoon, Y.S., Park, S.G.2004. “The electrical and physical properties of alternative material bipolar plate for PEM fuel cell system“, Electrochimica Acta, 50, 777–780.
Orsi, A., Kongstein, O.E. , Hamilton, P.J., Oedegaard, A., Svenum, I.H., Cooke, K. 2015. “An investigation of the typical corrosion parameters used to test polymer electrolyte fuel cell bipolar plate coatings, with titanium nitride coated stainless steel as a case study“, Journal of Power Sources,285 , 530-537.
Owejan, J.P., Trabold, T.A., Jacobson, D.L., Arif, M., Kandlikar, S.G.2007“Effects of flow field and diffusion layer properties on water accumulation in a PEM fuel cell”, International Journal of Hydrogen Energy, 32, 4489–4502.
Roshandel, R., Arbabi,F., Moghaddam,G.K.2012.” Simulation of an innovative flow-field design based on a bio inspired pattern for PEM fuel cells”, Renewable Energy,41,86-95. San, F.B., Gulsac, I.I. 2013. “Effect of surface wettability of polymer composite bipolar plates on polymer electrolyte membrane fuel cell performances“, International Journal of Hydrogen Energy, 38, 4089-4098.
Scholta,J.,Escher,G.,Zhang,W.,Küppers,L.,Jörissen,L.,Lehnert,W.2006. “Investigation on the influence of channel geometries on PEMFC performance“, Journal of Power Sources, 155, 66-71.
Shimpalee, S., Beuscher, U., Van Zee, J.W. 2007. “Analysis of GDL flooding effects on PEMFC performance“, Electrochimica Acta, 52, 6748–6754.
Shimlalee,S.,Lilavivat,V.,McCrabb,H.,Khunatorn,Y.,Lee,H.K.,Lee,W.K.,Weidner,J.W.2016”Inv estigation of bipolar plate materials for PEMFC”,International Journal of Hydrogen Energy, 41, 13688-13696.
Show, Y. 2007. “Electrically conductive amorphous carbon coating on metal bipolar plates for PEFC“, Surface & Coatings Technology,202,1252–1255.
Spernjak, D. , Prasad, A.K. , Advani, S.G. 2010.“ In situ comparison of water content and dynamics in parallel, single-serpentine, and interdigitated flow fields of polymer electrolyte membrane fuel cells“,Journal of Power Sources,195, 3553–3568.
Taniguchi, A., Yasuda, K. 2005. “Highly water-proof coating of gas flow channels by plasma polymerization for PEM fuel cells“, Journal of Power Sources, 141, 8–12.
Tiana, R., Suna, J., Wang, J. 2008. “Study on behavior of plasma nitrided 316L in PEMFC working conditions“International Journal of Hydrogen Energy, 33, 7507-7512.
Turan, C., Cora, O.N., Koc, M. 2012. “Contact resistance characteristics of coated metallic bipolar plates for PEM fuel cells e investigations on the effect of manufacturing “, International Journal of Hydrogen Energy, 37, 18187-18204.
Wang, Y., Northwood, D.O.2007. “An investigation of the electrochemical properties of PVD TiN-coated SS410 in simulated PEM fuel cell environments“, International Journal of Hydrogen Energy, 32, 895 -902.
Wang, Y., Shakhshir, S.A., Li, X., Chen, P. 2012. “Superhydrophobic flow channel surface and its impact on PEM fuel cell performance“, International Journal of Low-Carbon Technologies, 0, 1-12.
Wei,Y., Zhu,H.2011.”Model and simulation of proton exchange membrane fuel cell performance at different porosity of diffusion layer” I.J.Modern Education and Computer Science, 2, 22-28.
Zhang,L.,Li,M.,Song,X.,Guo,T.,Zhu,S.,Ji,W.,Wang,H.2011. “Preparation of half-cell by bi- layer wet powder sprying and tape casting for anode-supported SOFCs“, Journal of Alloys and Compounds, 586, 10-15.

APA	Taymaz I, ASLAN E (2018). Ölü-uç modunda çalıştırılan PEM tipi yakıt pili yığınında, performansı etkileyen su baskını olayının bipolar plakaların kaplanması ile iyileştirilmesinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi. , 1 - 64.
Chicago	Taymaz Imdat,ASLAN Erman Ölü-uç modunda çalıştırılan PEM tipi yakıt pili yığınında, performansı etkileyen su baskını olayının bipolar plakaların kaplanması ile iyileştirilmesinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi. (2018): 1 - 64.
MLA	Taymaz Imdat,ASLAN Erman Ölü-uç modunda çalıştırılan PEM tipi yakıt pili yığınında, performansı etkileyen su baskını olayının bipolar plakaların kaplanması ile iyileştirilmesinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi. , 2018, ss.1 - 64.
AMA	Taymaz I,ASLAN E Ölü-uç modunda çalıştırılan PEM tipi yakıt pili yığınında, performansı etkileyen su baskını olayının bipolar plakaların kaplanması ile iyileştirilmesinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi. . 2018; 1 - 64.
Vancouver	Taymaz I,ASLAN E Ölü-uç modunda çalıştırılan PEM tipi yakıt pili yığınında, performansı etkileyen su baskını olayının bipolar plakaların kaplanması ile iyileştirilmesinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi. . 2018; 1 - 64.
IEEE	Taymaz I,ASLAN E "Ölü-uç modunda çalıştırılan PEM tipi yakıt pili yığınında, performansı etkileyen su baskını olayının bipolar plakaların kaplanması ile iyileştirilmesinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi." , ss.1 - 64, 2018.
ISNAD	Taymaz, Imdat - ASLAN, Erman. "Ölü-uç modunda çalıştırılan PEM tipi yakıt pili yığınında, performansı etkileyen su baskını olayının bipolar plakaların kaplanması ile iyileştirilmesinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi". (2018), 1-64.

APA	Taymaz I, ASLAN E (2018). Ölü-uç modunda çalıştırılan PEM tipi yakıt pili yığınında, performansı etkileyen su baskını olayının bipolar plakaların kaplanması ile iyileştirilmesinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi. , 1 - 64.
Chicago	Taymaz Imdat,ASLAN Erman Ölü-uç modunda çalıştırılan PEM tipi yakıt pili yığınında, performansı etkileyen su baskını olayının bipolar plakaların kaplanması ile iyileştirilmesinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi. (2018): 1 - 64.
MLA	Taymaz Imdat,ASLAN Erman Ölü-uç modunda çalıştırılan PEM tipi yakıt pili yığınında, performansı etkileyen su baskını olayının bipolar plakaların kaplanması ile iyileştirilmesinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi. , 2018, ss.1 - 64.
AMA	Taymaz I,ASLAN E Ölü-uç modunda çalıştırılan PEM tipi yakıt pili yığınında, performansı etkileyen su baskını olayının bipolar plakaların kaplanması ile iyileştirilmesinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi. . 2018; 1 - 64.
Vancouver	Taymaz I,ASLAN E Ölü-uç modunda çalıştırılan PEM tipi yakıt pili yığınında, performansı etkileyen su baskını olayının bipolar plakaların kaplanması ile iyileştirilmesinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi. . 2018; 1 - 64.
IEEE	Taymaz I,ASLAN E "Ölü-uç modunda çalıştırılan PEM tipi yakıt pili yığınında, performansı etkileyen su baskını olayının bipolar plakaların kaplanması ile iyileştirilmesinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi." , ss.1 - 64, 2018.
ISNAD	Taymaz, Imdat - ASLAN, Erman. "Ölü-uç modunda çalıştırılan PEM tipi yakıt pili yığınında, performansı etkileyen su baskını olayının bipolar plakaların kaplanması ile iyileştirilmesinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi". (2018), 1-64.