MoC İnce Film Kaplamaların Pem Tipi Yakıt Hücreleri İçin Korozyon Direnç Performansların Araştırılması

dc.contributor.authorKesik, Oğuldeha
dc.contributor.departmentNanoteknoloji ve Nanotıp
dc.date.accessioned2025-11-25T11:08:28Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractIn this thesis study, the performance of molybdenum carbide (MoC) thin film coating developed to enhance the corrosion resistance of bipolar plates (BPs), a crucial component of proton exchange membrane (PEM) fuel cells was examined in detail within the context of hydrogen technologies, which play a critical role in the search for sustainable energy solutions in light of the finite nature and environmental impacts of fossil fuels. PEM fuel cells stand out as environmentally friendly, high efficiency energy conversion systems, with widespread applications in automotive and portable power systems. BPs account for 80 % of the stack’s total mass and 45 % of its cost, underscoring their importance. These plates must exhibit excellent electrical and thermal conductivity, low gas permeability, and high corrosion resistance. Although BPs are typically made from graphite, its brittleness and difficulty of machining have led to the adoption of metallic materials particularly stainless steel (SS). However, metallic BPs are prone to corrosion in the perfluorosulfonic-acid and electrochemical environment of PEM cells, which degrades fuel cell performance. To address this issue, protective and conductive surface coatings are applied to the BPs. In this context, the development of coating materials that are highly conductive, corrosion resistant, and cost-effective is of great importance. MoC is recognized as a good corrosion-resistant material due to its low cost, high melting point, thermal stability, hardness, and high conductivity. Therefore, MoC emerges as a potential candidate for enhancing the corrosion resistance of bipolar plates used in PEM fuel cells. In this work, MoC thin films were deposited onto SS, Si, and soda lime glass (SLG) substrates using two different techniques: a hybrid method combining magnetron sputtering with plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), and a magnetron co-sputter method. While films produced by the hybrid method exhibited structural defects, those prepared by the magnetron co-sputter technique met the U.S. Department of Energy’s (DOE) standards by improving the corrosion resistance of the BPs. MoC thin film coated SS plates demonstrated a 50% improvement in ICR compared to uncoated SS plates. Furthermore, potentiodynamic polarization measurements revealed a very low corrosion current density of 5.813 × 10⁻⁷ A·cm⁻². This value is approximately one order of magnitude lower than the target set by the U.S. Department of Energy (DOE) (<1 × 10⁻⁶ A·cm⁻²), indicating that the DOE target was successfully achieved. These results demonstrate that MoC thin-film coatings offer innovative solutions to the corrosion challenges encountered in fuel-cell technologies and introduce materials-engineering approaches capable of revolutionizing the energy sector.films produced by the hybrid method, those prepared via the magnetron co-sputter method significantly enhanced the corrosion resistance of the bipolar plates, surpassing DOE standards. It was determined that stainless steel (SS) plates coated with MoC thin films exhibited a 50% improvement in ICR values compared to uncoated SS plates, and potentiodynamic polarization measurements yielded a very low corrosion current density of 5.813 × 10⁻⁷ A·cm⁻². These results demonstrate that MoC thin film coatings offer innovative solutions to the corrosion challenges encountered in fuel cell technologies and reveal materials engineering approaches that could revolutionize the energy sector.
dc.description.ozetBu tez çalışmasında, fosil yakıtların sınırlı doğası ve çevresel etkileri karşısında, sürdürülebilir enerji çözümleri arayışında kritik bir rol oynayan hidrojen teknolojileri kapsamında, PEM yakıt hücrelerinin önemli bir bileşimi olan bipolar plakaların (BP) korozyon direncini artırmak amacıyla geliştirilmiş Molibden karbür (MoC) ince film kaplamaların performansını detaylı bir şekilde incelenmiştir. PEM yakıt hücreleri, çevreci ve yüksek verimli enerji dönüşüm sistemleri olarak dikkat çekmekte olup, özellikle otomotiv ve taşınabilir enerji sistemlerinde yaygın kullanım alanına sahiptir. BP’ler PEM yakıt hücrelerinin toplam yığın ağırlığının %80’ini ve yığın maliyetinin %45’ini oluşturmaktadır. Bu sebepten dolayı BP’lerin önemli bir yeri vardır. BP’ler mükemmel elektriksel iletkenlik, yüksek termal iletkenlik, düşük gaz geçirgenlik ve yüksek korozyon direnci gibi özellikleri olması gerekmektedir. Genellikle BP’ler grafit malzemelerden üretilmektedir. Ancak grafit kırılgan ve işlenmesi zor bir malzemedir. Bu sebepten dolayı grafit yerine metalik malzemeler (özellikle paslanmaz çelik (ing: Stainless Steel (SS))) kullanılmaya başlanmıştır. Ancak metalik BP’ler, PEM’in perflorosülfonik asit ve elektrokimyasal ortamından kaynaklı olarak korozyona eğilimlidir. Bu da yakıt hücresinin performansını düşürmektedir. Bu problemi çözmek için BP’lere koruyucu ve iletken yüzey kaplamalar yapılmaktadır. Bu bağlamda, iletkenliği yüksek, korozyona dayanıklı ve ekonomik kaplama malzemelerinin geliştirilmesi büyük önem arz etmektedir. MoC düşük maliyetli, yüksek erime noktası, termal kararlığı, sertliği ve yüksek iletkenlik gibi özelliklerinden dolayı iyi bir korozyon direnç malzemesidir. Bu nedenle MoC, PEM yakıt hücrelerinde kullanılan bipolar plakaların korozyon direncini artırmak için potansiyel bir aday haline gelmektedir. Bu çalışma kapsamında MoC ince filmler, magnetron sputter ile plazma destekli kimyasal buhar biriktirme (PECVD) sisteminin birleştirildiği hibrit yöntem ve magnetron co-sputter yöntemi kullanılarak, SS, Si ve soda kireç camı (İng: Soda-Lime Glass (SLG)) alttaşları üzerine biriktirilmiştir. Hibrit yöntem ile üretilen filmlerde yapısal bozukluklar gözlemlenirken, magnetron co sputter yöntemi ile hazırlanan filmler, BP’lerin korozyon direncini artırarak Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı’nın (DOE) belirlemiş olduğu standartları karşılamıştır. MoC ince film kaplamalı paslanmaz çelik (SS) plakalar, kaplanmamış SS plakalara kıyasla ara yüz temas direncinde (ICR) %50 oranında iyileşme sağlamıştır. Ayrıca, potansiyodinamik polarizasyon ölçümleri sonucunda 5,813 × 10⁻⁷ A·cm⁻² gibi oldukça düşük bir korozyon akım yoğunluğu elde edilmiştir. Bu değer, ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) belirlediği <1 × 10⁻⁶ A·cm⁻² hedefinden yaklaşık bir mertebe daha düşük olup, DOE kriterlerinin başarıyla karşılandığını göstermektedir. Elde edilen bu sonuçlar, MoC ince film kaplamaların yakıt hücresi teknolojilerinde karşılaşılan korozyon problemlerine yenilikçi çözümler sunduğunu ve enerji sektöründe devrim yaratabilecek malzeme mühendisliği yaklaşımlarını ortaya koyduğunu göstermektedir.
dc.embargo.lift2025-11-25T11:08:28Z
dc.embargo.termsAcik erisim
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/11655/37334
dc.language.isotr
dc.publisherFen Bilimleri Enstitüsü
dc.rightsinfo:eu-repo/semantics/openAccess
dc.subjectMoC
dc.subjectPECVD
dc.subjectMagnetron Co-Sputter
dc.subjectKorozyon Direnci
dc.subjectPEM
dc.titleMoC İnce Film Kaplamaların Pem Tipi Yakıt Hücreleri İçin Korozyon Direnç Performansların Araştırılması
dc.typeinfo:eu-repo/semantics/masterThesis

Files

Original bundle

Now showing 1 - 1 of 1
Loading...
Thumbnail Image
Name:
10662329.pdf
Size:
4.09 MB
Format:
Adobe Portable Document Format

License bundle

Now showing 1 - 1 of 1
Loading...
Thumbnail Image
Name:
license.txt
Size:
1.89 KB
Format:
Item-specific license agreed upon to submission
Description: