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

Abstract

ÖZET 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 Kelimeler: PEM yakıt pili, su yönetimi, su baskını, bipolar plaka, kaplama

ABSTRACT Bipolar plates in fuel cells are the elements that provide electric transmission and heat conduction between cells, distribute the reactant gas inside the cells, separate the cells and provide water management. Generally characteristics which are required in the bipolar plate, must be electrically conductive to minimize power dissipation, must be heat conductive to prevent the temperature difference between cells, must be nonporous to prevent intermixture of reactant gases, must be moisture-resistant .because water occurs in the cells. Therefore bipolar plate which is located at the beginning of the parameters affecting the performance of PEM fuel cell has particularly an important role in water management. If more water is consumed than produced, the gas from the anode must be humidified. If electrode is too much humidified, the electrode overflows and excessive water blocks the channels. This causes flooding too. Consequently gas diffusion problems occurred in electrodes. Therefore, several studies have been made to prevent flooding with the back diffusion water generated in the anode channels. One of these is based on the principle of the removal of water by coating flow channels of the bipolar plate with hydrophilic or hydrophobic materials. In this project, the flow channels of the 3-cell PEM type fuel cell stack with a total area of 150 cm2 were coated with PTFE and SiO2 materials with different water-holding capacities using PVD method and the effect of water flooding on the cell performance, which is the most important parameters in water management was investigated comparing with uncoated bipolar plate of PEM stack First of all, PTFE plates with hydrophobic character ,SiO2 plates with hydrophilic character and uncoated plates were assembled and measured current value with the voltage value entered by variable cell temperature and flow rates in PEM fuel cell test system, polarization curves were formed as a result. From the obtained curves, experiments were performed using Design Expert (trial version), which is the experimental design program for the highest performance in these three PEM fuel cell stacks and optimum operating conditions were determined in the operating conditions. In the dead-end method applied to the anode outlet, it was compared with the performance obtained under conditions of dry feeding and humidity conditions, and no decrease was observed. This means that it has a positive effect on dry water management. In the dead-end method applied to the outlet of the cathode, serious fluctuations were occured in the voltagetime curve showing the poor performance in terms of water management. Keywords: PEM fuel cell, water management, flooding, bipolar plate, coating