Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücrelerinde Membranın Mekanik Davranışının İncelenmesi Ve Modellenmesi

Abstract

Çalışmada, Proton Değişim Memranlı Yakıt Hücrelerinde kullanılan Nafion ® ticari adı ile anılan perfluoro sülfonik asit membranların mekanik davranışlarını tespit etmek amacı ile sıcaklık modunda DMA testleri, değişen sıcaklık değerleri için çekme testleri yapılmıştır. Membran malzemesinin young modülü ve akma sınırı, ayrıca kayıp ve depolama modülleri, sönüm oranı değişen sıcaklık değerleri ile tespit edilmiştir. DMA testleri kullanılmış ve kullanılmamış birleşik membran-elektrod yapısı (MEA) için tekrarlanmış, elektrot kaplamanın ve yakıt hücresi içinde gerçekleşen hidro-termal çevrimin mekanik davranışa etkisi belirlenmiştir. Ayrıca kullanılmış MEA yapısı SEM görüntüleme tekniği ile incelenmiş, yakıt hücresi içinde gerçekleşen çevrim kaynaklı hasarlar tespit edilmiştir. Modelleme çalışmasında ise, çeşitli katı polimerik malzemerin mekanik davranışlarını modellemek üzere daha önce de kullanılmış olan bir viskoplastik model olan VBO modeli, Nafion’un sıcaklık ve nem ile değişen mekanik cevabını vermek üzere modifiye edilmiştir. Modelin cevabı literatürdeki sıcaklık ve nem ile değişen çekme testleri ile karşılaştırılmış, deneysel sonuçlar ile oldukça uyumlu model cevapları elde edilmiştir.

In this study perfluoro sulfonic acid membranes, commercially named as Nafion® , used in Proton Exchange Membranes are subjected to tensile tests and DMA tests for various temperatures, in order to determine their mechanical behavior. Young modulus, yield strength, dynamic modulus and tanδ of the membranes are determined for various temperature values. DMA tests are done also for the used and new MEAs, therefore the effect of catalyst coating and hygrothermal aging is determined. Besides, used MEAs are analyzed using SEM imaging technique. The failures occured by the hygrothermal cycle are determined. In the modeling work, VBO which is a viscoplastic model formerly used for modeling the mechanical behavior of solid polymeric materials is modified in order to model the temperature and hydration dependent behavior of Nafion. Model responses are compared with the tensile tests in the literature and good match with the experimental data is observed.