PEM Tipi Yakıt Hücreleri İçin Üretilen Sodyum Bentonit Katkılı Grafit- Kompozit Plakaların Elektriksel ve Mekanik Özellikleri

Transkript

1 Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi (TATED) Cilt: 2, No: 1, 2010 (1-8) Electronic Journal of Vehicle Technologies (EJVT) Vol:2, No:1, 2010 (1-8) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR e-issn: X Makale (Article) PEM Tipi Yakıt Hücreleri İçin Üretilen Sodyum Bentonit Katkılı Grafit- Kompozit Plakaların Elektriksel ve Mekanik Özellikleri Fatih AY * * G.Y.T.E, Malzeme Bilimi ve Müh.Bölümü, 41400, Kocaeli/TÜRKİYE ayfatih@gyte.edu.tr Özet Bipolar plakalar yakıt hücrelerinin maliyet, hacim ve ağırlık olarak önemli bir bölümünü teşkil etmektedir. DOE (US Department of Energy) standartlarını (100 S/cm elektriksel iletkenlik, >59 MPa eğme mukavemeti, 2x10-6 cm3.stp.cm/cm. Hg.cm2.s gaz geçirgenlik değeri) sağlamaya en yakın, ticari olarak en çok tercih edilen plaka malzemesi grafit-polimer kompozitleridir. Bu çalışmada grafit-polimer karışımı içerisine katkı maddesi ilave edilerek numune özelliklerinin iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Türkiye nin yüksek bentonit rezervlerine sahip olması nedeniyle dolgu malzemesi olarak bentonit seçilerek bentonit katkılı çeşitli kompozisyonlar hazırlanmıştır. Bu kompozisyonlarla farklı kalıplama basınçları uygulanarak, sıcak preste numune üretimi yapılmıştır. Üretilen plakaların elektriksel iletkenlik, mekanik mukavemet ve gaz geçirgenlik parametreleri incelenerek, optimize edilmeye çalışılmış ve bentonit katkısının elektriksel iletkenlik, mekanik mukavemet ve gaz geçirgenlik değerleri üzerindeki etkisi gözlemlenmiştir. Anahtar Kelimeler: PEM yakıt hücresi, bipolar plaka, bentonit, elektriksel iletkenlik, mekanik mukavemet Electrical And Mechanical Properties Of Graphite-Polymer/ Sodium Bentonite Composite Bipolar Plate Produced For PEM Type Fuel Cells Abstract Bipolar plates constitute an important part of a fuel cell stack by means of the cost, the volume and the weight. The graphite-polymer composites which satisfy the standarts of the DOE (US Department of Energy) (100 S/cm electrical conductivity, >59 MPa flexural strength, 2x10-6 cm 3. STP. cm/cm. Hg. cm 2. s hydrogen permeability) best are the most preffered for the commercialization. In this study, it is aimed to enhance the features of the samples by adding some additives into the graphite-polymer mixture. Because of the high bentonite reserves of Turkey, the bentonite was chosen as the filling material and the various compositions were prepared. Samples were produced by applying different molding pressures to these compositions. The electrical conductivity, mechanical strength and the gas permeability of the produced plates were analyzed and tried to optimize and the effects of the bentonite filling on the electrical conductivity, mechanical strength and the gas permeability values were observed. Keywords: PEM fuel cell, bipolar plate, bentonite, electrical conductivity, mechanical strength 1. GİRİŞ Sera etkisi, dalgalı enerji fiyatları, fosil yakıt kaynaklarının hızla tüketilmesi yeni enerji dönüştürücülerini kamuoyu gündemine taşımaktadırlar. Yakıt hücreleri enerji verimliliği (% 60 a ulaşan verimler) [1], sıfır emisyon ve merkezi olmayan enerji üretimi açısından faydaları en üst seviyeye taşıdığından sabit ve Bu makaleye atıf yapmak için Ay, F,. PEM Tipi Yakıt Hücreleri İçin Üretilen Sodyum Bentonit Katkılı Grafit-Kompozit Plakaların Elektriksel ve Mekanik Özellikleri, Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi 2010, (1)1-8 How to cite this article Ay, F., Electrical And Mechanical Properties Of Graphite-Polymer/ Sodium Bentonite Composite Bipolar Plate Produced For PEM Type Fuel Cells, Electronic Journal of Vehicle Technologies, 2010, (1)1-8

2 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (1) 1-8 PEM Tipi Yakıt Hücreleri İçin Üretilen Sodyum Bentonit Katkılı mobil güç kaynağı olarak geleneksel enerji sistemleri yerine geçebilecek potansiyele sahiptirler [2]. Bununla birlikte çalışma şartlarına göre birçok yakıt hücresi çeşidi olmasına rağmen yakıt hücresi teknolojileri konusunda üzerinde en önemli araştırma geliştirme faliyetlerinin yapıldığı tür Proton Elektrolit Membranlı Yakıt Hücresi (PEMYH) dir. Bununla birlikte otomotiv uygulamaları için en uygun olan PEM yakıt hücresinin, düşük çalışma sıcaklığı, nispeten hızlı dur-kalk, değişen yüklere hızlı cevap verme ve yüksek güç yoğunluğu gibi avantajları vardır [3]. Bununla birlikte yakıt hücresi ile çalışan araçların ticarileşmeleri önünde hala aşılması gereken ciddi teknik problemler mevcuttur [4-5-6]. 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 [3-7]. 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 hacimli bir yakıt hücresi anlamına gelmektedir. Yığının ağırlığın ve hacminin azaltılabilmesi için mekanik olarak mukavemetli ve elektriksel olarak iletken plakalar üretilmelidir. Bu çalışmada mekanik mukavemeti ve elektriksel iletkenliği yüksek bipolar plakalar üretilmeye çalışılmıştır. Üretilen plakaların mekanik mukavemet ve elektriksel iletkenlik değerlerinin iyileştirilmesi amacıyla kompozisyona seramik tozu eklenmiştir. Bu amaçla seramik tozu olarak Türkiye de bol miktarda üretilmekte olan sodyum esaslı bentonit kullanılmıştır. 2. MALZEME ve METOT Sodyum Bentonit BENSAN A.Ş. (İstanbul) adlı yerli bir yapı firmasından temin edilmiştir. Çukurova Kimya Endüstrisi A.Ş. (Manisa) tarafında üretilmiş olan novalak reçineler çalışmalarda polimer olarak kullanılmıştır. %99,97 saflıktaki grafit tozu Graphit Kropfmühl AG (GK), (Almanya) şirketinden temin edilmiştir. PEM tipi yakıt hücresinin çalışma sıcaklığı (60 C-120 C) göz önünde bulundurulduğunda temin edilen novalak reçine, bu sıcaklık aralığında çalışmaya uygun olduğundan grafit ile karışımları hazırlanmıştır. Karıştırma işlemi demir bilyeler kullanılarak HDPE (High Dense Polyethylene) Nalgene kaplar içinde değirmen yardımıyla 3 saat süresince yapılarak gerçekleştirilmiştir. Basım işlemine geçmeden önce karışımın neminin uzaklaştırılması amacıyla, polimerin türüne göre C sıcaklık aralığında, vakumlu fırında 30 dakika beklenerek ön kurutma işlemi yapılmıştır. Kalıp içine yerleştirilen grafit-polimer tozu 30 dakika preslenerek pişmesi sağlanmıştır. Presleme işleminin ardından kalıplar soğumaya bırakılarak, soğuyan kalıplardan numuneler çıkartılmıştır. Üretilen numunelerin elektriksel iletkenlik analizlerinin yapılabilmesi için 4-point probe metodu ile çalışan Jandel RM3 Test Ünitesi kullanılmıştır. Bu ünite 1 mm probe mesafesine sahip yüksekliği ayarlanabilir ölçüm başlığı, 10 na ile 100 ma ayarlanabilir akım kaynağına sahip ölçüm ünitesi ve bilgisayar yazılımı ile ±%0,3 hassasiyette ölçümler yapabilmektedir. Plakaların eğme mukavemetlerinin tespit edilebilmesi için farklı karışım oranlarında, farkı kalıplama basınçları uygulanarak ASTM D-790 standartlarına uygun üretim yapılmıştır. Numuneler oda sıcaklığında Instron mekanik analiz cihazı ile test edilmiştir. Üretilen örneklere eğme analizleri yapılmıştır. 2

3 Ay F. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (1) 1-8 Gaz geçirgenlik ölçümlerinin yapılabilmesi için bir deney düzeneği tasarlanarak çift taraflı basınç değişimlerinden değerler hesaplanmıştır. 3. DENEY SONUÇLARI VE TARTIŞMA 3.1. Elektriksel İletkenlik Ölçümleri Grafit-polimer kompozit bipolar plakalarda elektriksel iletkenliğin grafit miktarı ile doğrudan orantılı olduğu bir çok kez gösterilmiştir [8-9]. Bu bölümde yapılan çalışmalarda farklı bentonit ve grafit miktarları ile hazırlanmış plakaların elektriksel iletkenlik değerleri ve değişimleri gösterilmiştir. Aynı zamanda sabit sıcaklıkta kalıplama basıncının değiştirilmesiyle elde edilen veriler de grafiklerde sunulmuştur. Şekil C sıcaklıkta 80 MPa kalıplama basıncında sabit miktarda novalak reçine kullanılarak hazırlanmış plakaların elektriksel iletkenlik değerlerinin bentonit ilavesi ile değişimi Grafit, novalak reçine ve bentonit kullanılarak hazırlanmış olan numunelerin bentonit miktarı ile değişiminin grafiği Şekil 1 de görülmektedir. Yapılan deneylerde sabit miktarda reçine kullanılarak grafit ile bentonit miktarı orantılı şekilde değiştirilmiştir. Buna göre bentonit ilavesi yapılmaksızın (%0), %85 grafit ve %15 reçineden oluşan kompozitin elektriksel iletkenlik değerleri 85,40 S/cm olarak bulunmuştur. Grafik incelendiğinde bentonit miktarı arttırıldığında elektriksel iletkenlik değerlerinin azaldığı tespit edilmiştir. Bu durum grafitin elektriksel ilekenliğinin bentonitten daha yüksek olmasından kaynaklanmaktadır. Dolayısıyla böyle bir kompozisyonda elektriksel iletkenliğin arttırılması için grafit miktarının azaltılması sonuç vermeyecektir. 3

4 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (1) 1-8 PEM Tipi Yakıt Hücreleri İçin Üretilen Sodyum Bentonit Katkılı Şekil C sıcaklıkta sabit miktarda novalak reçine ve bentonit kullanılarak hazırlanmış plakaların elektriksel iletkenlik değerlerinin kalıplama basıncı ile değişimi Aynı çalışma sabit kompozisyon kullanılarak kalıplama basıncının elektriksel iletkenlik üzerine etkisinin anlaşılması amacıyla kalıplama basıncı değiştirilerek yapılmıştır (Şekil 2). Kompozisyon olarak ise %5 oranında bentonit tercih edilerek elektriksel iletkenlik kayıplarının optimize edilmesine çalışılmıştır. Kalıplama basıncı grafikten anlaşılabileceği gibi bipolar plaka üretiminde önemli bir parametredir. Malzemenin sıkıştırılma miktarı grafit tabakaları arasındaki mesafeyi doğrudan etkileyeceğinden elektriksel iletkenlik değerleri de değişecektir. Grafik incelendiğinde 60 MPa kalıplama basıncından sonra elektriksel iletkenlikteki artışın durduğu ve 80 MPa ile 100 MPa kalıplama basınçlarında kompoizsyonların aynı değerlere sahip oldukları tespit edilmiştir (yaklaşık 75 S/cm ) Mekanik Mukavemet Ölçümleri Bu bölümde bentonit ilavesi ile üretilen numunelerin mukavemet değerlerinin değişen parametrelerle nasıl etkilendiğinin görülmesi amaçlanmaktadır. Şekil 3 novalak reçine kullanılarak üretilmiş plakaların grafit-bentonit oranlarının değiştirilmesi ile elde edilmiştir. Aynı parametreler için elektriksel iletkenlik değerlerinde %5 lik bentonit orana sahip kompozisyonda önemli kayıp olduğu tespit edilmişti (Şekil 1). Ancak aynı değer için eğme mukavemetinde artış görülmesi düşük miktarlardaki bentonit ilavesinin her iki parametreye de olumlu şekilde katkıda bulunduğunu göstermiştir (Şekil 3). Dolayısıyla bentonitin bu parametreler için sınırlı bir etkisi söz konusudur. Bununla birlikte yapılan bu çalışmada bipolar plaka üretimi için uygun, mekanik mukavemeti yüksek numuneler elde edilmiştir (69,81 MPa). Yakıt hücrelerinde kullanılacak bipolar plaka kriterlerininin oldukça üzerinde eğme mukavemetine sahip kompozitin %20 bentonit ilavesinde dahi 60,58 MPa lık eğme mukavemet değerinin çok iyi olması dikkate değerdir. 4

5 Ay F. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (1) 1-8 Şekil C sıcaklıkta 80 MPa kalıplama basıncında sabit miktarda novalak reçine kullanılarak hazırlanmış plakaların eğme mukavemeti değerlerinin bentonit ilavesi ile değişimi Şekil C sıcaklıkta sabit miktarda novalak reçine ve bentonit kullanılarak hazırlanmış plakaların eğme mukavemeti değerlerinin kalıplama basıncı ile değişimi Kalıplama basıncının kompozite etkisin anlaşılabilmesi için yapılan çalışma sonuçları ise Şekil 4 te görülebilmektedir. Grafik incelendiğinde kalıplama basıncının kompozisyonların hazırlanması sırasında ne derece önemli bir parametre olduğu çok daha iyi anlaşılmaktadır. 20 MPa dan sonra görülen artış iki katından daha fazladır. Ayrıca kalıplama basıncının elektriksel iletkenlik üzerine olan etkisinin bir benzeri burada da tespit edilmiştir. 60 MPa basınçtan sonra ciddi bir mukavemet artışı olmamakla birlikte 80 MPa da maksimum seviyeye ulaşıp 100 MPa da düşme eğilimi görülmüştür. 5

6 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (1) 1-8 PEM Tipi Yakıt Hücreleri İçin Üretilen Sodyum Bentonit Katkılı 3.3. Gaz Geçirgenlik Ölçümleri Yakıt hücreleri için plakaların düşük gaz geçirgenlik değerlerine sahip olması gerekmektedir. Hidrojen gazının en küçük molekül olması nedeniyle depolanması ve taşınması güçtür. Dolayısıyla yakıt hücresi içerisinde akış kanalları arasında dolaşacak hidrojen gazının (ve diğer reaktanların) sistem içerisinde tutulabilmesi verim açısından önemlidir. Hücre içerisinde bulunacak gazların plakalardan sızmamaları gerekmektedir ve üretimleri buna göre yapılmalıdır. Yakıt hücresinde kullanılacak plakalar için hidrojen gazı geçirgenliğinin 6x10-6 cm 3 STP.cm/cmHg.cm 2.s değerinden daha düşük olması beklenmektedir [10]. Plaka gaz geçirgenliklerinin bulunabilmesi için bir düzenek tasarlanmış ve bu düzenekten elde edilen verilerle gaz geçirgenlik değerlerinin bulunması mümkün olmuştur. Şekil 5 teki düzenekte numune bölmesi araya numune yerleştirilerek birbirinden tamamen yalıtılmıştır. Numunenin alt tarafından kalan ve üst kısımdan tamamen yalıtılmış olan bölme yaklaşık -990 mbar a kadar vakuma alınmıştır. Bu kısımda olabilecek kaçakların tespiti için 30 dakika süresince sistem vakum halinde tutulmuş, basınç değişimleri gözlenmiştir. Sızdırmazlık sağlandıktan sonra araya numune yerine geçirgenliği olmayan paslanmaz çelikten imal edilmiş metal bir levha yerleştirilerek üst bölme de kapatılmıştır. Üst bölmenin sızdırmazlığının sağlanmasından sonra bölmeler arasına numune yerleştirilerek ölçümler gerçekleştirilmiştir. Üst bölmeye yaklaşık 2 barlık basınca sahip hidrojen gazı gönderilerek numune bölmesinin iki taraflı basınç değişimleri 3 saat boyunca tespit edilmiş ve basınç farklarından faydalanılarak gaz geçirgenlik değerleri bulunmuştur. Şekil 5. Gaz geçirgenlik ölçüm düzeneği Novalak reçine ve bentonit ilavesi yapılarak elde edilen plakaların gaz geçirgenlik değerleri Şekil 6 da sunulmuştur. Buna göre bentonit yapı içerisinde tam bir yalıtım elemanı olarak davranış göstermiş, 4,86 x 10-7 olan değerin %10 luk katkı ile 5,54 x 10-9 cm 3.STP.cm/cmHg.cm 2.s değerine kadar düşmesini sağlamıştır. Ancak %10 dan sonra yapılan bentonit ilavesi ile bu etki azalarak gaz geçirgenlik değeri bir miktar yükselmiştir. Buna rağmen bu sonuçlar dahi literatür değerlerinin oldukça üzerinde bulunmuştur [11]. 6

7 Ay F. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (1) 1-8 Şekil C sıcaklıkta 80 MPa kalıplama basıncında sabit miktarda novalak reçine kullanılarak hazırlanmış plakaların H 2 geçirgenliği değerlerinin bentonit ilavesi ile değişimi 4. SONUÇLAR PEM tipi yakıt hücrelerinde kullanılmak üzere sodyum bentonit katkılı grafit-polimer kompozit bipolar plakalar üretilerek elektriksel iletkenlik ve mekanik mukavemet değerlerinin çeşitli parametrelerle değişimleri incelenmiştir. Çalışma ile bentonit ilave edilerek numunelerin elektriksel ve mekanik mukavemetlerine katkı sağlamak amaçlanmıştır. Polimer miktarı sabit tutularak bentonit ilave edilen kompozisyonlarda grafit miktarındaki azalma ile birlikte iletkenlik değerlerinin de düştüğü görülmüştür. Bunun yanında eğme mukavemetinde düşük oranlarda katkının (<%5) mekanik mukavemeti arttırabileceği görülmüştür. Plakaların üretiminde sıcak presleme sırasında uygulanan kalıplama basıncının çok önemli bir parametre olduğu anlaşılmıştır. Aynı kompozisyonlarda üretilen malzemelerin elektriksel iletkenliklerinin 40 S/cm mertebelerinden 80 S/cm mertebelerine geldiği görülmüştür. Ayrıca mekanik mukavemet değerlerinin de 30 MPa mertebelerinden 70 MPa gibi oldukça yüksek değerlere ulaşabildiği tespit edilmiştir. Otomotiv sektörü için en çok gelecek tercih edileceği düşünülen PEM tipi yakıt hücreleri için önemli bileşenlerden olan elektriksel iletkenlik değerleri olarak yeterli, mekanik mukavemeti yüksek bipolar plaka üretimi yapılmıştır. TEŞEKKÜR Bu çalışma 107M324 no lu TÜBİTAK projesi desteği ile gerçekleştirilmiştir. 7

8 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (1) 1-8 PEM Tipi Yakıt Hücreleri İçin Üretilen Sodyum Bentonit Katkılı 5. KAYNAKLAR 1. Carrette L., Friedrich K.A., Stimming U., Fuel Cells 2001, 1, No Scott DS. Int J Hydrogen Energy 2004;29: Gottesfeld S, Zawodzinki T. Adv Electrochem Sci Eng 1997;5: Costamagna P, Srinivasan S. Quantum jumps in the PEMFC science and technology from 1960s to the year 2000, Part II. Engineering, technology development and application aspect.j Power Sources 2001;102: Gamburzev S, Appleby AJ. Recent progress in performance improvement of PEM fuel cell. J Power Sources 2002;107: Arita M. Technical issues of fuel cell systems for automotive applications. Yokosuka, Japan: Nissan Motor Co. Ltd.; Cropper MAJ, Geiger S, Jolie DM. J Power Sources 2004;131: Du Ling, Jana Sadhan C., Journal of Power Sources, Volume 172, Issue 2, 25 October 2007, Pages Dweiri Radwan, Sahari Jaafar, Journal of Power Sources, Volume 171, Issue 2, 27 September 2007, Pages S.I. Heo, J.C. Yun, C.K. Jung, K.S. Han, Fabrication and characterization of graphite reinforced conductive polymer composites, in: Proceeding of the KSCM Spring Annual Meeting, 2004, pp Plug Power hedefleri 8