Yakıt pillerinde kullanılan metal bipolar plaka kaplama elektriksel temas direncinin sayısal analizi
Numerical analysis of electrical contact resistance of coating used on metal bipolar plates in fuel cells
- Tez No: 948679
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET SUHA YAZICI, PROF. DR. DİLEK KUMLUTAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Makine Mühendisliği, Energy, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 99
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.
Özet (Çeviri)
Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells are considered a critical energy system for decarbonization in the coming years due to their zero-emission characteristics and high energy density. PEM fuel cells, which can continuously produce energy as long as fuel is supplied, possess operational similarities to today's internal combustion engines and are therefore seen as a key technology for the future of transportation. Technological advancements continue to support the integration and commercialization of PEM fuel cell-powered vehicles in the near future. In PEM fuel cell, the incoming hydrogen gas passes through the gas diffusion layer and reaches the catalyst layer, where it is dissociated into protons and electrons. The hydrogen protons are transported through the membrane to the cathode side, while the electrons travel through an external circuit, generating electrical power. On the cathode side, oxygen molecules combine with the incoming electrons and protons to form water. A portion of the generated heat and water is expelled from the system, completing the cycle. This process allows for the generation of electricity without the use of fossil fuels. In order to accelerate PEM fuel cell development efforts, the U.S. Department of Energy (DOE) established specific targets in 2015 aimed at increasing the adoption of fuel cells in the transportation sector. In particular, several performance-related challenges associated with bipolar plates were identified, with the goal of improving their properties while simultaneously reducing their cost. The most critical targets have been designated for 2025, including reducing the electrical contact resistance below 10 mΩ·cm², lowering the corrosion current density to below 2 µA/cm², and achieving a significant reduction in cost. Fuel cells can be connected in series to achieve high energy output levels. The components that electrically connect individual fuel cells are bipolar plates. These plates are electrically conductive components made of graphite or metal and function as dual-polar structures—supplying fuel to the anode of one cell and oxidant to the cathode of the next—while also maintaining the structural integrity of the fuel cell stack. One of the most critical requirements for fuel cells in transportation is compactness. This is due to the limited available space in vehicles and the need to include more fuel cell units in a stack to maximize energy density. For this reason, bipolar plates must be manufactured as thin as possible. While conventional graphite bipolar plates offer excellent electrical conductivity and corrosion resistance, their limited mechanical strength restricts them to thicknesses between 1 mm and 5 mm. In contrast, metal bipolar plates, which are relatively new materials, can be manufactured with thicknesses ranging from 0.1 mm to 1 mm due to their superior mechanical strength. However, they exhibit poor corrosion resistance in the fuel cell operating environment. This leads to increased interfacial contact resistance (ICR) between the fuel cell components and the bipolar plate. To mitigate this issue, surface coatings are applied to metal bipolar plates to improve their corrosion resistance. Various types of coating materials are preferred for use on metal bipolar plates. In addition to metal nitrides, titanium-based, and carbon-based coatings, research is ongoing on gold coatings and multilayer coatings. Different application methods are employed to apply these coatings onto the surface of metal bipolar plates. These include vapor deposition, electroplating, physical vapor deposition (PVD), and plasma spraying techniques [16]. Among these, the PVD method stands out due to its superior corrosion resistance. To measure corrosion resistance and electrical contact resistance values, the potentiodynamic method is commonly used. In this method, the anode and cathode environments of a PEM fuel cell are simulated to determine corrosion current density and ICR values. Electrical contact resistance is experimentally determined under compression pressure and room temperature. During the test, the coated bipolar plate is placed between two GDL materials, and this structure is compressed with gold-coated copper plates from both the top and bottom under a specified pressure. A constant current is passed through the copper plates, and the voltage drop across the sample is measured. Finally, by subtracting the component resistances, the electrical contact resistance between the two surfaces is obtained. PEM fuel cell simulations are numerical tools used to observe internal effects within the fuel cell. By simulating different fuel cell components—especially flow channels within bipolar plates—performance analyses can be conducted. Although various numerical analyses have been carried out for PEM fuel cells with metal bipolar plates, the effect of electrical contact resistance has not yet been incorporated into such models. This study aims to numerically model, for the first time, the electrical contact resistance caused by metal bipolar plates in a PEM fuel cell and validate the model using literature data. In doing so, the impact of different coating materials on the polarization curve through their respective ICR values can be evaluated. The PEM fuel cell module was used to investigate the effect of coatings on ICR. For this purpose, a geometric model was created using ANSYS DesignModeler based on data from experimental studies. The model includes the fuel cell components: bipolar plate, gas diffusion layer, catalyst layer, and membrane. A structured mesh was created for the PEM fuel cell model, with a finer mesh applied specifically to the membrane electrode assembly (MEA) region to enable more accurate simulations. To ensure the reliability of the numerical results, mesh quality metrics were evaluated. A skewness value of 0 and an orthogonal quality of 1 were achieved, indicating a highly accurate and reliable mesh structure. The PEM fuel cell parameters were implemented into the model based on data obtained from experimental studies in the literature. A good agreement was observed between the model and experimental polarization curves. In the voltage range of 0.5 to 0.65 V, a deviation of around 10% was observed. These results indicate that the model is validated and can be reliably used to evaluate the effects of contact resistance. The contact resistance model available in the ANSYS PEM module was utilized. This model operates by applying resistance at the solid–solid interface using the porous jump condition, and at the solid–fluid interface using the wall–shadow wall boundary condition. In this study, contact resistance was applied to the wall boundary conditions between the bipolar plate and the gas diffusion layer. In this thesis, the influence of the electrical resistance of metal bipolar plates on fuel cell performance was numerically investigated. The performance impacts of different coating types were identified. For instance, at the operating voltage of 0.65 V, CrN-coated bipolar plates showed approximately a 24% power loss compared to an uncoated model. For Titanium Nitride (TiN) coatings, the power loss at the same voltage was around 9%. The results underline the critical importance of surface coatings, as the power output of an uncoated metal bipolar plate was observed to decrease by up to 50%. Additionally, the effects of time-dependent contact resistance—reported in the literature—were incorporated into the model to provide secondary validation. Long-term performance behaviors gold coatings and amorph carbon coating were modeled and highlighted. The impact of increasing contact resistance over time was analyzed not only through the polarization curve but also using metrics such as current density and oxygen mass fraction. The results indicate that contact resistance in metal bipolar plate-based fuel cells changes over time, and its long-term effects must be taken into account when selecting suitable coating materials. The effect of ICR on fuel cell performance at the beginning and after 5000 hours of operation was investigated using two different metrics. The first metric is the current density, which represents the electric current per unit area (A/m²). At the initial stage, it was observed that the current followed a uniform path. However, after 5000 hours of operation, current density was found to be limited due to the effect of contact resistance. In some regions, reverse currents were detected as a result of increased resistance, indicating that the current did not distribute uniformly due to the presence of contact resistance. The second metric is the oxygen mass fraction, which indicates the extent to which oxygen gas participates in the reaction within the cathode catalyst layer of the fuel cell. Initially, the oxygen mass fraction decreased from 20% to 12% as oxygen was consumed in the electrochemical reaction. This was accompanied by an increase in water formation on the cathode side. After 5000 hours, oxygen consumption was observed to decrease due to the effect of contact resistance, with the oxygen mass fraction dropping from 20% to approximately 16%. This can be interpreted as an indicator of performance degradation in the fuel cell. In the final stage of this study, an industry-focused analysis was carried out by considering not only interfacial contact resistance (ICR) but also other degradation parameters. The low time-dependent variability of carbon coatings, which are widely used in the industry, makes these materials suitable for long-term applications. Additionally, to estimate fuel cell degradation, projections were prepared for 20,000-, 30,000-, and 40,000-hour operation scenarios based on the approximately 4 μV/hour voltage loss rate reported in the literature. The results showed that the effects of the three parameters were consistent, with approximately 10% degradation observed at 20,000 hours and a 20% degradation projection at 40,000 hours. This study has developed fuel cell degradation projections by accounting for the effect of coating-induced contact resistance. The heat increase caused by ohmic losses, which is another effect of contact resistance, was not directly addressed in the current model. Since the ANSYS Fluent PEM module does not simultaneously model electrical and thermal physics, the temperature distribution was left for future studies. In upcoming work, it is planned to investigate the impact of contact resistance on the temperature profile as well, in order to develop a more comprehensive thermal management approach. As a result, this thesis numerically demonstrated the effect of interfacial contact resistance (ICR), both at the initial state and as it changes over time, on the performance of fuel cells with metal bipolar plates coated with different materials. The findings show that when selecting a coating, not only the initial performance but also the long-term behavior under extended operating conditions must be considered. Furthermore, this study provides a suitable foundation for conducting degradation analyses that account for the coating effect in metal bipolar plate fuel cells.
Benzer Tezler
- Yakıt pillerinde (PEMFC) bipolar yüzeyli metal malzemelerin farklı sıcaklık aralıklarında kullanımının incelenmesi
The investigation of using of bipolar surface metal materials in different temperatures for fuel cell (PEMFC)
SEZGİN KARADENİZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2009
Makine MühendisliğiDumlupınar ÜniversitesiMakine Eğitimi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. İDRİS KAYNAK
- PEM yakıt hücreleri için bipolar tabaka geliştirilmesi
Development of bipolar plates for PEM fuel cells
SAVAŞ ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2009
Metalurji MühendisliğiGebze Yüksek Teknoloji EnstitüsüMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ ATA
- Yüksek sıcaklık PEM yakıt hücrelerinde metal bipolar tabakanın korozyon direncinin geliştirilmesi
Improving corrosion resistance of the metal bipolar plates at high temperature proton exchange membrane(PEM) fuel cells
ZEHRA AKMER KARAHANOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Mühendislik BilimleriGebze Yüksek Teknoloji EnstitüsüMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ ATA
- MEMS based microbial fuel cell with microliter volume for microscale power generation
Mikro ölçekli güç üretimi için MEMS tabanlı mikrolitre hacimli mikrobiyal yakıt pili
BEGÜM ŞEN DOĞAN
Doktora
İngilizce
2020
BiyoteknolojiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK KÜLAH
DOÇ. DR. EBRU ÖZGÜR
- Metal nanoparçacık ve iletken polimer modifiye karbon nanotüp elektrotta hidrazinin elektrokimyasal davranışı
Electrochemical behaviour of hydrazine at metal nanoparticles and conductive polymer modified carbon nanotube electrode
BURAK ASLIŞEN