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

    245276

    PEM yakıt hücreleri için bipolar tabaka geliştirilmesi

    Development of bipolar plates for PEM fuel cells

    SAVAŞ ÖZTÜRK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    Metalurji MühendisliğiGebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ ATA

  2. Tez No

    290191

    PEM tipi yakıt hücrelerinde bipolar plakaların ısıl analizi

    Thermal analysis of bipolar plate in PEM type fuel cells

    OZAN BEKİROĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    EnerjiGebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ ATA

  3. Tez No

    334470

    Genleştirilmiş grafit epoksi kompozit plaka üretimi ve bipolar plaka uygulamaları

    Production of expanded graphite epoxy composite plate and bipolar plate applications

    SELEN BEGÜM SEVİC

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Metalurji MühendisliğiGebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ ATA

    DOÇ. DR. BAHADIR TUNABOYLU

  4. Tez No

    537564

    Design,manufacturing and testing of high temperature PEM fuel cell stack

    Yüksek sıcaklık PEM yakıt hücresi yığını tasarımı, üretimi ve testleri

    YAĞMUR BUDAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    EnerjiAtılım Üniversitesi

    İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YILSER DEVRİM

  5. Tez No

    233853

    Yakıt hücreleri için bipolar kompozit tabaka hazırlanması

    Composite bipolar plate production for the fuel cells

    OĞUZHAN AKINÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2008

    Kimya MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Bölümü

    PROF. DR. NURSEL DİLSİZ

Geri Dön