Anadolu

1
Anadolu Üniversitesi PerspektifindePEM Yakit
Hücresi Çalismalari
Anadolu Üniversitesi

• Doç. Dr. Süleyman Kaytakoglu
• Dr. Levent Akyalçin

TÜBITAK MIKRO KOJEN PROJESI Ulusal
Çalistayi 18.09.2007, Gebze-Kocaeli
2
Amaç ve Kapsam
Polimer Elektrolit Membran Yakit Hücresi (PEMYH)
üretimi ve gelistirilmesini içeren teknolojiyi
(know-how) ülkemize kazandirmaktir.
Anadolu Üniversitesi
3
Kilometre Taslari
Anadolu Üniversitesi
4
PEM Yakit Hücresi
Anadolu Üniversitesi
Anot
Katot
H2 ? 2H 2e-, U0 0 V
½ O2 2H 2e- ? H2O, U0 1,229 V
Çalisma Sicakligi 20-90ºC
Elde Edilen Güç 250 kWa kadar
Uygulama Alanlari Tasimacilik, Uzay, Askeri
Elektrolitteki Yük Tasiyici H
Gerekli Güç Otomobil (75 kW), Otobüs (250 kW)
5
PEM Yakit Hücresinin Bilesenleri
Anadolu Üniversitesi
6
Kwi Seong Jeong and Byeong Soo Oh Fuel economy
and life-cycle cost analysis of a fuel cell
hybrid vehicle Journal of Power Sources Volume
105, Issue 1 , 5 March 2002, Pages 58-65
Material costs for a present-day fuel cell
stack Material mass Material
cost (kg/kW) (US/kW) Membrane 0.025
120 Electrode 0.082 31.16 Catalyst 0.016
243.2 Bipolar plate 3.3 825 End plate
0.12 0.24 Plastic frame 0.105
0.105 Total 3.684 1219.705
Anadolu Üniversitesi
7
PEMYH Katot Katalizör Tabakasi
Mezopor
Mikropor
O2
H
Anadolu Üniversitesi
Polimer Elektrolit (Nafion)
H2O, O2
Karbon Parçaciklari (20-40 nm)
GDL
Pt (3-5 nm)
8
YHdaki Performans Ölçümleri

• Galvanostatik
• Potansiyostatik
• Cyclic Voltammetry (CV)
• Aktif yüzey belirleme
• Ara ürün adsorpsiyonlari
• Kinetik ve mekanizma
• Impedance
• Ohmik direnç
• Iyon/elektron iletkenligi
• Kinetik ve mekanizma

Anadolu Üniversitesi
9
Polarizasyon Egrisi ve Özellikleri
Açik devre voltaji
Anadolu Üniversitesi
10
Yürütülen Çalismalar

• Laboratuvar Altyapisinin olusturulmasi
• Gaz Difüzyon Tabakasinin (GDT) üretimi
• Membranin Hazirlanmasi
• Aktif Tabakanin (AT) Üretimi
• Geleneksel Yöntem
• Sputter Yöntemi
• Membran Elektrot Bileskesinin (MEB)
  olusturulmasi ve test edilmesi
• Bir PEMYH sisteminin çalisma sartlarinin Taguchi
  yöntemi kullanilarak optimizasyonu
• Sputter yöntemi kullanilarak üretilen bir MEBin
  Taguchi yöntemi kullanilarak optimizasyonu
• 100 W gücünde bir PEMYH yigininin olusturulmasi.

Anadolu Üniversitesi
11
PEMYH ve Kontrol Üniteleri
Anadolu Üniversitesi
12
Laboratuvar Altyapisinin Olusturulmasi
Sicaklik Kontrolörleri
Anadolu Üniversitesi
Elektronik Yük
Veri Alma ve Anahtarlama Birimi
Gaz Akis ve Basinç Kontrolörü
13
Laboratuvar Altyapisinin Olusturulmasi
Anadolu Üniversitesi
14
Laboratuvar Altyapisinin Olusturulmasi
Rotametreler
Manometreler
Anadolu Üniversitesi
Sicak su banyosu
Nemlendiriciler
Yakit Hücresi gövdesi
15
Laboratuvar Altyapisinin Olusturulmasi
Gaz girisleri
Anadolu Üniversitesi
Isiticilar 40 W
16
Laboratuvar Altyapisinin Olusturulmasi
Anadolu Üniversitesi
17
GDT ve Üretim Asamalari

• Karbon veya paslanmaz çelik son plaka ile AT
  arasindaki elektrik iletimini saglar.
• Gözenekli yapisiyla reaktant ve ürünlerin homojen
  akisina izin verir.
• MEBin içerisinde olusan suyu gaz kanallarina
  iterek uzaklastirir.

Anadolu Üniversitesi

• Üretim Asamalari
• Destek Tabaka (DT) denilen Karbon Kumas veya
  Karbon Kagidin Hidrofobiklestirilmesi
• DTnin Karbonla Kaplanmasi

18
DTnin Hidrofobiklestirilmesi

• Kesilen karbon kumasin (300 µm kalinlikta) bir
  yüzüne PTFE süspansiyonu hava firçasi yardimiyla
  püskürtülmüstür.
• Hazirlanan kumas bir saat oda kosullarinda, bir
  saat 80ºC etüvde kurutulmus ve yarim saat süreyle
  360 ºCde sinterlenmistir.
• Sinterleme isleminden çikan kumas tartilmis ve
  aradaki agirlik farkindan kumas üzerine kaplanan
  PTFE miktari (5) bulunmustur

Anadolu Üniversitesi
19
DTnin Karbonla Kaplanmasi
Vulcan XC72R karbon tozu, 60 PTFE süspansiyonu,
izopropil alkol ve deiyonize su mekanik ve
ultrasonik karistiricilarda karistirilmis ve elde
edilen çamur hidrofobik tabakaya sürülmüs, daha
sonra bir saat 80ºC etüvde kurutulmus ve yarim
saat süreyle 360 ºCde sinterlenmistir.
Anadolu Üniversitesi
Kalinlik 400 µm Karbon içerigi 3-5
mg/cm2 PTFE içerigi 1-2 mg/cm2
20
Membranin Hazirlanmasi

• Nafion 115 Membran (Kalinlik 125 µm) istenilen
  ölçüde kesilir.
• Distile suda 90 Cde15 dakika yikanir.
• 90 Cdeki H2O2 (5 )de 60 dakika bekletilir.
• 90 Cdeki distile suda 15 dakika yikanir.
• 90 Cdeki H2SO4 (0,5 M)de 30 dakika bekletilir.
• Taze H2SO4le besinci basamak tekrar edilir.
• 90 Cdeki distile suda 15 dakika yikanir.
• Yedinci basamak taze distile suyla üç defa tekrar
  edilir.

Anadolu Üniversitesi
21
Aktif Tabakanin Hazirlanmasi
Konvansiyonel Yöntem JohnsonMattey 20Pt/C,
deiyonize su, 5lik Nafion çözeltisi ve
izopropil alkolden olusan karisim ultrasonik
karistiricida karistirilmis ve daha sonra 2cm x
2,5cmlik bir çerçevenin tasiyici film üzerine
maskeleme amaçli yapistirilmasiyla olusan
bosluga, Erichsen marka ince film hazirlama
sistemi kullanilarak sürülmüstür. Böylelikle 0,5
mg Pt/cm2 ve 0,8 mg/cm2 Nafion içeren bir Aktif
Tabaka elde edilmistir.
Anadolu Üniversitesi
Ultrasonik Homojenizatör
Mekanik Homojenizatörler
Ince Film Hazirlama Sistemi
22
Aktif Tabakanin Hazirlanmasi
Sputter Yöntemi Sputter yönteminde Pt, Agar
Sputter Coater ve Pt disk kullanilarak GDT
üzerine Argon gazi atmosferinde 15 s (0.01 mg
Pt/cm2), 55 s (0.05 mg Pt/cm2), 105 s (0.10 mg
Pt/cm2) ve 200 s (0.20 mg Pt/cm2) sürelerde
biriktirilmistir.
Anadolu Üniversitesi
23
Aktif Tabakanin Hazirlanmasi
Anadolu Üniversitesi
24
Aktif Tabakanin Hazirlanmasi
60 s
Anadolu Üniversitesi
25
Aktif Tabakanin Hazirlanmasi
120 s
Anadolu Üniversitesi
26
Aktif Tabakanin Hazirlanmasi
240 s
Anadolu Üniversitesi
27
Aktif Tabakanin Hazirlanmasi
480 s
Anadolu Üniversitesi
28
Aktif Tabakanin Hazirlanmasi
960 s
Anadolu Üniversitesi
29
MEBin Olusturulmasi
Konvansiyonel yöntemle MEB, ATlerin 0,5 kN/cm2
basinç, 130ºC sicaklik ve 3 dakika süreyle Nafion
115 membranla bir sandviç olusturmak üzere teflon
plakalar arasinda preslenmesiyle olusturulmustur.
Sputter yönteminde ise katalizör yüklenen GDTler
membranla sandviçlenmistir
Anadolu Üniversitesi
Nafion 115 Membran
Elektrot (GDLPt/C)
30
MEBin Denenmesi
Deneme çalismalari sirasinda H2 100 sccm, O2 ise
200 sccm hizda akitilmis, nemlendirici ve yakit
hücresi sicakligi 75 ºCde sabit tutulmus ve
hücre basinci 1, 2, 3 ve 4 barg araliginda
degistirilmistir. Elde edilen sonuçlar Nafion 115
membrani ve 0,5 mg Pt/cm2 Aktif Tabakasi olan
standart E-TEK MEBle kiyaslanmistir.
Anadolu Üniversitesi
31
MEBin Denenmesi
Konvansiyonel Yöntem
Anadolu Üniversitesi
32
MEBin Denenmesi
Sputter Yöntemi
Anadolu Üniversitesi
33
MEBin Denenmesi
Sputter Yöntemi
Anadolu Üniversitesi
34
MEBin Denenmesi
Anadolu Üniversitesi
35
Taguchi Deney Tasarim Yöntemi
Taguchi yöntemi, arastirma ve gelistirme
faaliyetleri içerisinde, üretim/isletim öncesinde
veya üretim/isletim süreci içerisindeki etkin
parametrelerin tespit edilmesinde kullanilan
istatiksel bir yöntemdir. Bu yöntem kullanilarak
zamandan ve üretim faaliyetlerinden çok büyük
tasarruflar saglanmakta böylelikle kalite,
verimlilik, güvenilirlik ve kâr artmaktadir.
Anadolu Üniversitesi
36
Taguchi Deney Tasarim Yöntemi

• Bir deneyin tasarim, yürütme ve analiz
  basamaklari sunlardan olusmaktadir
• Degerlendirilecek faktör ve/veya etkilesimlerin
  seçimi
• Faktörlerin seviye sayilarinin seçimi
• Uygun Ortogonal Dizinin seçimi
• Faktörlerin ve/veya etkilesimlerin kolonlara
  atanmasi
• Deneylerin yürütülmesi
• Sonuçlarin analizi
• Dogrulama deneyinin yapilmasi

Anadolu Üniversitesi
37
Taguchi Deney Tasarim Yöntemi

• PEMYHnin peformansini etkileyen faktörler
• Yakit hücresinin basinci,
• Yakit hücresine beslenen H2 ve O2 gazlarinin akis
  hizlarinin birbirine orani
• Yakit hücresinin sicakligi,
• Gazlarin nemlendirme sicakliklari

Anadolu Üniversitesi
Faktör Seviye 1 2 3
YH Basinci Atmosferik 2 barg 4 barg
H2/O2 1/1 2/1 1/2
YH Sicakligi 70ºC 75ºC 80ºC
Nemlendirme Sicakligi 70ºC 75ºC 80ºC
38
Taguchi Deney Tasarim Yöntemi
L9 (34) ortogonal dizini
Deney Sirasi A B C D A YH Basinci, barg B Gaz akis hizlarinin orani C YH Sicakligi, ºC D Gazlarin nemledirme sicakligi, ºC
1 0 1/1 70 70 A YH Basinci, barg B Gaz akis hizlarinin orani C YH Sicakligi, ºC D Gazlarin nemledirme sicakligi, ºC
2 0 2/1 75 75 A YH Basinci, barg B Gaz akis hizlarinin orani C YH Sicakligi, ºC D Gazlarin nemledirme sicakligi, ºC
3 0 1/2 80 80 A YH Basinci, barg B Gaz akis hizlarinin orani C YH Sicakligi, ºC D Gazlarin nemledirme sicakligi, ºC
4 2 1/1 75 80 A YH Basinci, barg B Gaz akis hizlarinin orani C YH Sicakligi, ºC D Gazlarin nemledirme sicakligi, ºC
5 2 2/1 80 70 A YH Basinci, barg B Gaz akis hizlarinin orani C YH Sicakligi, ºC D Gazlarin nemledirme sicakligi, ºC
6 2 1/2 70 75 A YH Basinci, barg B Gaz akis hizlarinin orani C YH Sicakligi, ºC D Gazlarin nemledirme sicakligi, ºC
7 4 1/1 80 75 A YH Basinci, barg B Gaz akis hizlarinin orani C YH Sicakligi, ºC D Gazlarin nemledirme sicakligi, ºC
8 4 2/1 70 80 A YH Basinci, barg B Gaz akis hizlarinin orani C YH Sicakligi, ºC D Gazlarin nemledirme sicakligi, ºC
9 4 1/2 75 70 A YH Basinci, barg B Gaz akis hizlarinin orani C YH Sicakligi, ºC D Gazlarin nemledirme sicakligi, ºC
1 1 1 1
1 2 2 2
1 3 3 3
2 1 2 3
2 2 3 1
2 3 1 2
3 1 3 2
3 2 1 3
3 3 2 1
Anadolu Üniversitesi
39
Taguchi Deney Tasarim Yöntemi
Rassalastirilmis Deney Sirasi A B C D A YH Basinci, barg B Gaz akis hizlarinin orani C YH Sicakligi, ºC D Gazlarin nemledirme sicakligi, ºC
1 4 1/2 75 70 A YH Basinci, barg B Gaz akis hizlarinin orani C YH Sicakligi, ºC D Gazlarin nemledirme sicakligi, ºC
2 0 1/2 80 80 A YH Basinci, barg B Gaz akis hizlarinin orani C YH Sicakligi, ºC D Gazlarin nemledirme sicakligi, ºC
3 2 2/1 80 70 A YH Basinci, barg B Gaz akis hizlarinin orani C YH Sicakligi, ºC D Gazlarin nemledirme sicakligi, ºC
4 2 1/1 75 80 A YH Basinci, barg B Gaz akis hizlarinin orani C YH Sicakligi, ºC D Gazlarin nemledirme sicakligi, ºC
5 4 2/1 70 80 A YH Basinci, barg B Gaz akis hizlarinin orani C YH Sicakligi, ºC D Gazlarin nemledirme sicakligi, ºC
6 4 1/1 80 75 A YH Basinci, barg B Gaz akis hizlarinin orani C YH Sicakligi, ºC D Gazlarin nemledirme sicakligi, ºC
7 2 1/2 70 75 A YH Basinci, barg B Gaz akis hizlarinin orani C YH Sicakligi, ºC D Gazlarin nemledirme sicakligi, ºC
8 0 1/1 70 70 A YH Basinci, barg B Gaz akis hizlarinin orani C YH Sicakligi, ºC D Gazlarin nemledirme sicakligi, ºC
9 0 2/1 75 75 A YH Basinci, barg B Gaz akis hizlarinin orani C YH Sicakligi, ºC D Gazlarin nemledirme sicakligi, ºC
Anadolu Üniversitesi
40
Taguchi Deney Tasarim Yöntemi
Rasallastirilmis Deney Sirasi 1 2 3 4 5 Güç, mW/cm2 Güç, mW/cm2 Güç, mW/cm2 Güç, mW/cm2 Güç, mW/cm2
Rasallastirilmis Deney Sirasi Akim, mA Akim, mA Akim, mA Akim, mA Akim, mA Güç, mW/cm2 Güç, mW/cm2 Güç, mW/cm2 Güç, mW/cm2 Güç, mW/cm2
1 4034 4263 4102 4075 4118 322,72 341,04 328,16 326 329,44
2 2240 1750 1840 1907 2177 179,2 140 147,2 152,56 174,16
3 3300 3345 3245 2900 2670 264 267,6 259,6 232 213,6
4 3250 3259 2945 3084 2963 260 260,72 235,6 246,72 237,04
5 3548 3660 3640 3950 3830 283,84 292,8 291,2 316 306,4
6 4200 4487 4340 4416 4295 336 358,96 347,2 353,28 343,6
7 3635 3314 3370 3740 3513 290,8 265,12 269,6 299,2 281,04
8 2188 2230 2134 1360 2140 175,04 178,4 170,72 108,8 171,2
9 2205 2380 2550 1580 2500 176,4 190,4 204 126,4 200
Anadolu Üniversitesi
41
Taguchi Deney Tasarim Yöntemi
Anadolu Üniversitesi
42
Taguchi Deney Tasarim Yöntemi
Anadolu Üniversitesi
43
Taguchi Deney Tasarim Yöntemi
ANOVA(Varyans Analizi) Sonuçlari
Serbestlik Derecesi Kareler Toplami Kareler Ortalamasi F p
A 2 190882 95441 257,44 0,000
B 2 1745 873 2,35 0,109
C 2 269 135 0,36 0,698
D 2 9360 4680 12,62 0,000
Hata 36 13346 371
Toplam 44 215603
Anadolu Üniversitesi
44
Taguchi Deney Tasarim Yöntemi
Isaret/Gürültü Orani Grafigi
Anadolu Üniversitesi
45
Taguchi Deney Tasarim Yöntemi
Anadolu Üniversitesi
n Deney sayisi, y Güç degeri
A3, B3, C2 ve D2 kosullari için beklenen 0,4
Vdaki güç degeri 365 mW/cm2
46
Taguchi Deney Tasarim Yöntemi
Dogrulama Deneyi 1 2 3 4 5 Güç mW/cm2 Güç mW/cm2 Güç mW/cm2 Güç mW/cm2 Güç mW/cm2
Dogrulama Deneyi Akim mA Akim mA Akim mA Akim mA Akim mA Güç mW/cm2 Güç mW/cm2 Güç mW/cm2 Güç mW/cm2 Güç mW/cm2
1 4874 4878 4755 4610 4610 389,92 390,24 380,4 368,8 368,8
Anadolu Üniversitesi
Tahmin edilen güç 365,0 mW/cm2
Dogrulama deneyi ile bulunan ortalama güç 379,6 mW/cm2
47
Taguchi Deney Tasarim Yöntemi
Anadolu Üniversitesi
48
Sputter Yöntemi Taguchi Uygulamasi

• Sputter yöntemiyle üretilen bir MEBin
  performansini etkileyen faktörler
• Membran,
• Birim alandaki Pt miktari,
• Aktif Tabakadaki Nafion miktari,
• Gaz Difüzyon Tabakasinin türü

Anadolu Üniversitesi
Faktör/Seviye 1 2 3 4
Membran 112 1135 115 117
Pt Miktari 0.01 mg/cm2 0.03 mg/cm2 0.05 mg/cm2 0.10 mg/cm2
Nafion Miktari 0 mg/cm2 0.05 mg/cm2 -- --
GDT Karbon kumas Karbon kagit -- --
49
Sputter Yöntemi Taguchi Uygulamasi
L16 (42 x 22) ortogonal dizini
Deney Membran Pt Mik Nafion GDT
1 1 1 1 1
2 1 2 1 1
3 1 3 2 2
4 1 4 2 2
5 2 1 1 2
6 2 2 1 2
7 2 3 2 1
8 2 4 2 1
9 3 1 2 1
10 3 2 2 1
11 3 3 1 2
12 3 4 1 2
13 4 1 2 2
14 4 2 2 2
15 4 3 1 1
16 4 4 1 1
Anadolu Üniversitesi
Deney Membran Pt Mik. Nafion Altlik
8 N-1135 0.10 mgPt/cm2 0.05 mg/cm2 Karbon Kumas
50
Sputter Yöntemi Taguchi Uygulamasi
Deney I. Set II. Set
1 6 4
2 16 16
3 12 9
4 1 6
5 2 14
6 11 12
7 8 15
8 3 7
9 14 11
10 10 10
11 7 13
12 4 2
13 9 8
14 5 5
15 15 1
16 13 3
Anadolu Üniversitesi
Deneylerin Rassallastirilmis Sirasi
51
Sputter Yöntemi Taguchi Uygulamasi
Anadolu Üniversitesi
52
Sputter Yöntemi Taguchi Uygulamasi
Anadolu Üniversitesi
53
Sputter Yöntemi Taguchi Uygulamasi
Serbestlik Derecesi Kareler Toplami Kareler Ortalamasi F p
A 3 55194 18398 11,25 0,000
B 3 123391 4110 25,14 0,000
C 1 25992 25992 15,89 0,001
D 1 23436 23436 14,33 0,001
Hata 23 37622 1636
Toplam 31 265636
Anadolu Üniversitesi
54
Sputter Yöntemi Taguchi Uygulamasi
Isaret/Gürültü Orani Grafigi
Anadolu Üniversitesi
55
Sputter Yöntemi Taguchi Uygulamasi
Anadolu Üniversitesi
n Deney sayisi, y Güç degeri
A1, B3, C2 ve D2 kosullari için beklenen 0,4
Vdaki güç degeri 563.75 mW/cm2
56
Sputter Yöntemi Taguchi Uygulamasi
Deney Membran Pt Mik. Nafion Altlik
3 N-112 0.05 mgPt/cm2 0.05 mg/cm2 Karbon Kagit
Anadolu Üniversitesi
Tahmin edilen güç 563.75 mW/cm2
Deneyde bulunan ortalama güç 566.00 mW/cm2
57
100W PEMYH Yiginin Olusturulmasi
Anadolu Üniversitesi
58
100W PEMYH Yiginin Denenmesi
Anadolu Üniversitesi
59
100W PEMYH Yiginin Denenmesi
Sogutma Ünitesi
Anadolu Üniversitesi
Nemlendirme Ünitesi
Yakit Hücresi Yigini
60
100W PEMYH Yiginin Denenmesi
Anadolu Üniversitesi
61
Sonuçlar ve Mevcut Durum

• Dünya standartlarinda bir hem PEMYH hem de DMYH
  için Ar-Ge laboratuvar altyapisi olusturulmustur.
• Standart olarak kabul edilen E-TEK GDTlerle
  kiyaslanabilir ölçütlerde GDT üretimi
  gerçeklestirilmistir.
• Standart olarak kabul edilen E-TEK MEBlerle
  kiyaslanabilir ölçütlerde konvansiyonel ve
  sputter yöntemleriyle MEB üretimi yapilmistir.
• Daha yüksek performansli MEB üretim çalismalari
  devam etmektedir.
• 100 W gücünde bir PEMYH yigininin üretimi
  tamamlanmistir.
• Ayrica, arastirma amaçli Pasif DMYH ve Aktif DMYH
  çalismalari yürütülmektedir.

Anadolu Üniversitesi
62
Sonuçlar ve Mevcut Durum
Anadolu Üniversitesi
63
TESEKKÜR EDERIZ
Anadolu Üniversitesi