Proton değişim membran yakıt hücrelerinde kullanılan polimerik membranın modellenmesi

Abstract

Sanayi devrinden sonra teknolojinin gelişmesi ile artan talepler ve aşırı artan nüfustan dolayı meydana gelen enerji açığı fosil yakıtların kullanılmasıyla ortadan kaldırılmaya çalışılmış fakat dünyayı geri dönüşü olmayan bir çıkmaza sokmuştur. Tükenmeye yüz tutmuş fosil yakıtlar ve aşırı çevre kirlenmesi insanları yeni enerji yöntemlerine yöneltmiştir. Yenilenebilir enerji yöntemleriyle hem çevre kirliliğini engellemeye hem de fosil yakıtlara alternatif bulmaya çalışılmaktadır. Alternatif enerjilerden ve geleceğin yakıtlarından biri de hidrojen enerjisi olup, hidrojenden elektrik üretimini sağlayan yakıt hücre teknolojisi de geleceğin yenilenebilir, temiz ve yüksek verimli enerji çözümü olarak geniş kabul görmektedir. Elektrokimyasal reaksiyonlardan geçerek elektrik üretmek için hidrojeni kullanan polimer eletrolit membran (PEM) yakıt hücreleri, özellikle taşımacılıkta içten yanmalı motorlar yerine çevre dostu olarak kullanabilmek için geliştirilmeye çalışılmaktadır. PEM yakıt hücreleri, yüksek verimi, düşük sıcaklıklarda kullanılabilmeleri, sessiz çalışmaları ve çevre dostu olmalarından ötürü, geleceğin enerji üretim cihazlarıdır fakat yakıt hücreleri halen tam anlamıyla ticari olarak belli eksiklerinden dolayı kullanılamamaktadır. Bunların başında en önemli etken PEM yakıt hücresinin ana elemanı olan membranın istenilen ömre ulaşamaması, yüksek sıcaklık ve nemde mekanik ve kimyasal hasar göstermesidir. Bu çalışmada proton değişim membran yakıt hücrelerinin ana elemanı olan membranın yakıt hücresi içindeki çalışma koşulları dikkate alınarak, membran malzemelerinden Nafion 112 kullanılarak çekme deneyi, DTA-TG deneyi, iklimlendirme deneyleri yapılmış ve akabinde elekron mikroskobunda (SEM) iklimlendirilen numuneler incelenmiş ve malzemede meydana gelen hasarlar belirlenmiştir. Literatür taramalarından elde edilen bilgiler dahilinde yapılan modelleme çalışmalarında polimerik malzemelerin davranışının tam anlamıyla modele yansıtılamadığı gözlemlenmiş ve bu eksiklik göz önüne alınarak modelleme çalışmalarına yönelinmiştir. Deneysel çalışmalardan elde edilen veriler kullanılarak bu kapsamda polimerik malzemenin viskoelastik-viskoplastik davranış gösterdiği sonucu elde edilip, viskoplastisite teorilerinden biri olan `Viscoplasticity Theory Based On Overstress (VBO)' modeli kullanılarak oda sıcaklığı ve farklı yüksek sıcaklıklarda Nafion 112 polimerik membranın çekme davranışı modellenmiştir. Simülasyon sonuçları deneysel verilerle karşılaştırılmış, oldukça uyumlu sonuçlar elde edilmiştir.