Geri Dön

Pem yakıt hücrelerinde kompozit bipolar plakaların üretiminde grafen kullanılabilirliğinin araştırılması

Investigation of the usability of graphene use in the production of composite bipolar plates for pem fuel cells

PDF İndir

  1. Tez No: 958450
  2. Yazar: YASİN AKIN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM ÖZSERT, DOÇ. DR. HÜSEYİN KAHRAMAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 170

Özet

Bu tez çalışmasında, Proton Değişim Membranlı (PEM) yakıt hücreleri için kompozit bipolar plakaların üretiminde grafenin kullanılabilirliğini araştırılmıştır. PEM yakıt hücrelerinde kullanılan geleneksel metal ve grafit bipolar plakalar, sırasıyla yüksek korozyon eğilimleri ve kırılgan yapıları nedeniyle uzun ömür, kimyasal dayanım ve işlenebilirlik açısından çeşitli sınırlılıklar göstermektedir. Bu bağlamda, hafif ve dayanıklı alternatif malzeme arayışları, kompozit malzemelerin ön plana çıkmasına neden olmuştur. Kompozit bipolar plakalar hem yapısal olarak özelleştirilebilir olmaları hem de iletken dolgu maddeleriyle güçlendirilebilmeleri sayesinde ideal bir malzeme olarak değerlendirilmektedir. Çalışmada, epoksi esaslı reçine matrisine birincil dolgu malzemesi olarak grafit ve ikincil dolgu malzemesi olarak grafen eklenmiştir. Elektriksel iletkenlik, mekanik ve yüzey özellikleri geliştirilmiş yenilikçi bir kompozit yapı elde edilmesi hedeflenmiştir. Literatürde karbon bazlı iletken dolgu malzemeleri (Karbon nanotüp, karbon fiber vb.) gibi takviye malzemeleri yaygın olarak kullanılmış olmasına rağmen, grafenin kompozit bipolar plakalarda iletken dolgu malzemesi olarak kullanımı sınırlıdır. Bu yönüyle çalışma, grafenin bipolar plaka uygulamalarındaki potansiyelini ortaya koyan özgün bir yaklaşım sunmaktadır. Grafen, iki boyutlu yapısı, yüksek yüzey alanı, üstün elektriksel iletkenliği, mükemmel mekanik dayanımı ve kimyasal dayanımı gibi üstün özellikleri sayesinde kompozit bipolar plakaların dolayısıyla yakıt hücresinin performansını anlamlı ölçüde iyileştirmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında, kompozit üretimi sırasında kritik öneme sahip olan üretim parametreleri (karıştırma hızı, kalıplama süresi vb.), Cevap Yüzey Yöntemi (RSM) ile optimize edilmiştir. Ardından, kalıplama sıcaklığı ve kalıplama basıncı da yine RSM ile değerlendirilerek optimum üretim koşulları belirlenmiştir. Optimum koşullar altında üretilen numunelerde farklı grafen katkı oranlarının etkisi incelenmiştir. Deneysel çalışmalar kapsamında; elektriksel iletkenlik, eğilme dayanımı, sertlik (Shore D), yüzey temas açısı, yoğunluk, gözeneklilik, korozyon dayanımı ve gaz geçirgenliği gibi çok sayıda özellik ölçülmüş, ayrıca yakıt hücresi testleri ile bipolar plakanın genel hücre performansına etkisi araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, grafen katkısının kompozit plakanın birçok özelliğini olumlu yönde etkilediğini ve PEM yakıt hücreleri için dayanıklı, verimli ve optimize edilmiş kompozit bipolar plakalar üretimine olanak sağladığını ortaya koymuştur.

Özet (Çeviri)

In this thesis study, the production, characterization, and comprehensive performance analysis of composite bipolar plates developed for Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells, which are prominent for their environmental sustainability, high efficiency, and low emissions among energy conversion systems, have been carried out. Bipolar plates, as one of the key components of PEM fuel cells, are responsible for multiple critical functions such as the distribution of fuel and oxidant gases, electrical conductivity, heat management, and water balance. The ability to perform these tasks reliably and durably makes the optimization of the structural and functional properties of bipolar plates essential for overall fuel cell performance. Currently used graphite and metal-based bipolar plates offer certain advantages but face significant limitations. Metal plates tend to corrode in the acidic and humid environment of PEM fuel cells, leading to conductivity losses and performance degradation. On the other hand, graphite plates are mechanically fragile and pose challenges in terms of processability. Therefore, there is a growing need for alternative materials that are lightweight, electrically conductive, chemically stable, and easy to manufacture. In this context, composite materials have emerged as a promising solution. In this study, graphite was used as the primary conductive filler and graphene as the secondary reinforcement material in an epoxy-based polymer matrix. While graphite ensured a base level of conductivity, graphene, even at low concentrations, contributed significantly to improving the composite's performance due to its two-dimensional structure, large surface area, exceptional electrical conductivity, high mechanical strength, and excellent chemical stability. Although carbon-based reinforcements such as carbon nanotubes (CNTs), carbon black (CB), and carbon fibers (CF) are commonly used in the literature, the use of graphene as a reinforcing material in composite bipolar plates has remained limited. Thus, this study offers a novel and pioneering approach by investigating the potential of graphene in bipolar plate applications specific to PEM fuel cells. In the first phase of the study, mixing speed (rpm) and mixing duration (min)—critical process parameters that directly influence filler dispersion and material homogeneity—were optimized using the Response Surface Methodology (RSM). Ensuring homogeneous dispersion of fillers within the matrix helped reduce porosity and improve the structural integrity of the composite. In the second phase, molding temperature and molding pressure, which directly affect surface quality and dimensional accuracy, were also optimized using RSM to determine the most suitable production conditions. After defining the optimum processing parameters, composite samples with different graphene reinforcement ratios (ranging from 0% to 5%) were fabricated and subjected to extensive testing. The experimental analyses included measurements of electrical conductivity (S/cm), flexural strength (MPa), Shore D hardness, contact angle (°), density (g/cm³), porosity (%), gas permeability (ml/min), and corrosion resistance. In addition, the performance of the produced composite plates was evaluated under real operating conditions using a laboratory-scale PEM fuel cell test setup, where parameters such as cell voltage, power density, and internal resistance were measured. The results showed that the incorporation of graphene significantly improved multiple properties of the composite structure. Electrical conductivity increased, porosity decreased, and both mechanical strength and surface hardness improved. Furthermore, the enhancement in contact angle indicated the development of a more hydrophobic surface, which can positively affect water management in fuel cell operation. Corrosion resistance and gas impermeability were also enhanced due to the stabilizing effect of graphene on the surface and internal structure. In conclusion, this thesis demonstrated that graphene-reinforced epoxy/graphite composites are viable candidates for use as composite bipolar plates in PEM fuel cells. Through optimization of production parameters and comprehensive performance evaluation, the study proved that graphene-supported composites offer a cost-effective, durable, and high-performance alternative to conventional bipolar plate materials. The findings of this research provide a significant contribution to the scientific literature and offer a promising pathway for the development of advanced fuel cell technologies for future energy systems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    413240

    Development of air-breathing polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell for small uav application

    Küçük İHA uygulamaları için hava dolaşımlı polimer elektrolit zarlı yakıt hücre geliştirilmesi

    NOOR UL HASSAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Şehir Üniversitesi

    Endüstri ve Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BAHADIR TUNABOYLU

  2. Tez No

    416934

    PBI esaslı PEM yakıt hücresinde işletme parametrelerinin değişken akım yoğunluğuna etkisinin sayısal ve deneysel incelenmesi

    Numerical and experimental investigation of the effects of operating parameters on the exchange current density in a PBI based PEM fuel cell

    MURAT ÇELİK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    EnerjiErciyes Üniversitesi

    Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. GÜLŞAH ÖZIŞIK

  3. Tez No

    416995

    Proton geçirgen membranlı bir yakıt hücresinin katot tarafının 2-boyutlu analitik modellenmesi

    An analytical solution of a 2-D model of cathode side for a proton exchange membrane fuel cell

    SELAHATTİN ÇETİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    EnerjiGazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ATİLLA BIYIKOĞLU

  4. Tez No

    417035

    PEM yakıt hücresi katotunda oksijen indirgenme reaksiyonu hızının geliştirilmesi ve mekanizmasının incelenmesi

    Improving the rate of oxygen reduction reaction at the cathode of PEM fuel cell and investigation of its mechanism

    SİLVER GÜNEŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    EnerjiGazi Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATMA ÇİĞDEM GÜLDÜR

  5. Tez No

    418673

    Modeling and analysis of flow and heat transfer in a large PEM fuel cell suitable for automotive applications

    Büyük boyutlu otomotive uygulanabilir proton değişim membranlı yakıt hücresi ısı ve kütle transfer modellemesi ve analizi

    BERK YİĞİNSU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    EnerjiSabancı Üniversitesi

    Enerji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SERHAT YEŞİLYURT

Geri Dön