T.C. SÃLEYMAN DEM REL ÃN VERS TES FEN B L MLER ENST ...

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software 

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 

T.C. 

SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ 

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ 

PROTON DEĞİŞİM YAKIT PİLİ(PEMFC) MEMBRANLARININ 

ve TEKNİK TEKSTİL DESTEKLERİNİN İNCELENMESİ 

İrem TURHAN 

Danışman: Yrd.Doc.Dr. İbrahim ÜÇGÜL 

II.Danışman: Yrd. Doç Dr. Sibel Yıldız 

YÜKSEK LİSANS TEZİ 

TEKSTİL MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI 

ISPARTA-2010



İÇİNDEKİLER 

Sayfa 

İÇİNDEKİLER …………………………………………………………………….....i 

ÖZET …………………………………………………………………………..........iv 

ABSTRACT ……………………………………………………………………….....v 

TEŞEKKÜR …………………………………………………………………………vi 

ŞEKİLLER DİZİNİ ………………………………………………………………...vii 

ÇİZELGELER DİZİNİ ………………………………………………………………x 

SİMGELER DİZİNİ ………………………………………………………………..xii 

1.GİRİŞ ........................................................................................................................1 

2. KAYNAK ÖZETLERİ.. ..........................................................................................4 

2.1. Teknik Tekstiller……….…...................................................................................4 

2.1.1. Taşımacılık teknik tekstilleri…………………………………………………...5 

2.1.2. Hijyen ve tıbbi teknik tekstiller ..........................................................................6 

2.1.3. Jeotekstiller ........................................................................................................7 

2.1.4. Endüstriyel tekstiller ..........................................................................................8 

2.1.5. Koruyucu giysiler ...............................................................................................8 

2.1.6. Bina ve inşaat teknik tekstilleri ..........................................................................9 

2.1.7. Tarım teknik tekstilleri .....................................................................................10 

2.1.8. Aktif spor ve boş zaman teknik tekstilleri .......................................................11 

2.1.9. Ev teknik tekstilleri ..........................................................................................11 

2.1.10. Ambalaj teknik tekstilleri ...............................................................................12 

2.1.11. Giyim teknik tekstilleri ..................................................................................13 

2.1.12. Ekolojik ve çevre teknik tekstilleri ................................................................13 

2.1.13. Gıda teknik tekstilleri .....................................................................................13 

2.1.14. Akıllı tekstiller ...............................................................................................14 

2.2.Elektronik Tekstiller………….............................................................................15 

2.3. Yakıt Hücresi……...............................................................................................17 

2.3.1. Yakıt hücresinin tarihi.......................................................................................17 

2.3.2. Yakıt hücresinin çalışma prensipleri.................................................................19



2.3.3. Yakıt hücresinin çeşitleri .................................................................................20 

2.3.3.1. Fosforik asit yakıt hücresi (PAFC)................................................................22 

2.3.3.2. Katı oksit yakıt hücresi (SOFC).....................................................................24 

2.3.3.3. Erimiş karbonat yakıt hücresi (MCFC)..........................................................25 

2.3.3.4. Alkali yakıt hücresi (AFC).............................................................................25 

2.3.3.5. Doğrudan metanol kullanılan yakıt hücresi (DMFC)....................................27 

2.3.3.6. Proton değişim membranlı yakıt hücresi (PEMFC).......................................28 

2.3.3.6.1. Proton değişim membranlı yakıt hücresinin çalışma prensibi....................31 

2.4. Membranların Tanımı ve Çeşitleri……………...................................................32 

2.4.1. Yakıt Hücresinde Kullanılan Membranlar........................................................32 

2.4.1.1. Proton iletken malzemeler.............................................................................32 

2.4.1.1.1. Nafyon.........................................................................................................33 

2.4.1.2. Non-nafyon membranlar................................................................................37 

2.5. Tekstil Materyallerinin PEM Yakıt Hücresinde Kullanılması………………….42 

2.6. PEM Yakıt Hücresinde Enerji ve Ekserji Analizi………………........................43 

2.6.1. PEM yakıt hücresinde verim.............................................................................44 

2.6.2. PEM yakıt hücresinde toplam hücre gerilimi...................................................46 

2.6.2.1. PEM yakıt hücresinin net çıkış geriliminin hesaplanması ............................48 

2.6.2.2. PEM yakıt hücresi alanı başına elde edilen elektrik 

gücünün hesaplanması....................................................................................54 

2.6.2.3. PEM yakıt hücresinin enerji veriminin hesaplanması ..................................54 

2.6.3. PEM yakıt hücresinde ekserji analizi................................................................55 

2.6.3.1. Kimyasal ekserji ............................................................................................56 

2.6.3.2. Fiziksel ekserji ..............................................................................................58 

2.7. PEM Yakıt Hücresinin Ekonomik Analizi..........................................................61 

3. MATERYAL ve YÖNTEM……………………………………………………...64 

3.1. Materyal………………………………………………………………………...64 

3.2. Yöntem…………………………………………………………………………64 

3.2.1. Genel yaklaşımlar ve parametreler ..................................................................65 

3.2.2. Teknik tekstil destek ve farklı gaz difüzyon tabakalı bir PEM yakıt 

hücresinde enerji ve ekserji hesabı ..................................................................66 

4. ARAŞTIRMA BULGULARI.………………………………………....................71



5. TARTIŞMA ve SONUÇ.........................................................................................95 

6. KAYNAKLAR ......................................................................................................98 

ÖZGEÇMİŞ .............................................................................................................102



ÖZET 

Yüksek Lisans Tezi 

PROTON DEĞİŞİM YAKIT PİLİ (PEMFC) MEMBRANLARININ ve 

TEKNİK 

TEKSTİL DESTEKLERİNİN İNCELENMESİ 

İrem TURHAN 

Süleyman Demirel Üniversitesi 

Fen Bilimleri Enstitüsü 

Tekstil Mühendisliği Anabilim Dalı 

Danışman: Yrd. Doç Dr. İbrahim ÜÇGÜL 

Bu çalışmada farklı gaz difüzyon tabakaları ve farklı yapıdaki tekstil 

malzemelerinden oluşmuş destek malzemeleri kullanılan, Nafyon membranlı PEM 

yakıt hücresinin, 0,1’er artan değerlerle 0,01-1,06 A/cm 2 aralığındaki akım 

yoğunluklarına karşılık gelen enerji ve ekserji verimleri hesaplanmıştır. Bu destek 

tipleri, üzerinde son günlerde oldukça yoğun çalışılan elektro-tekstil uygulamalarında 

kullanılabilecek teknik tekstil olarak da nitelendirebilir. Bu farklı yapıya sahip destek 

materyaller, kağıt %20 PTFE (membran kalınlığı=0,33mm) , kumaş-ekose %20 

PTFE (membran kalınlığı=0,35mm), kumaş-ekose %20 PTFE (membran 

kalınlığı=0,4mm), kumaş-saten %20 PTFE (membran kalınlığı=1,3mm), kumaşörme 

%20 PTFE (membran kalınlığı=1,4mm)’dir. 

PEM yakıt hücrelerinde ideal hücre sıcaklığı 80 °C’dir. Anot ve katot basınçları 

sırasıyla 3 atm ve 5 atm değerindedir. Bu şartlarda PEM yakıt hücresi en yüksek 

verimi göstermektedir. Elde edilen sonuçlara göre, gaz difüzyon tabakasında 

kullanılan, 0,35 mm kalıklıktaki Kumaş- Ekose %20 PTFE ve 0,33 mm kalınlığında 

Kağıt %20 PTFE tipi destek malzemelerin daha yüksek verim sağladığı 

görülmektedir. 

Anahtar Kelimeler: Teknik tekstil, e-tekstil, Nafyon, PEM membran, ekserji, yakıt 

hücreleri. 

2010, 102 sayfa



ABSTRACT 

MS. Thesis 

THE ANALYSIS OF PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL AND 

TECHNICAL TEXTILE SUPPORT 

İrem TURHAN 

Suleyman Demirel University 

Graduated School of Applied and Natural Sciences 

Department of Textile Engineering 

Supervisor: Asst. Prof. Dr. İbrahim ÜÇGÜL 

In this study, the effiency of the energy and the exergy yields corresponding current 

density in the interval 0,01-1,06 A/cm 2 by step-size 0,1 of Nafion membrane PEM 

fuel cell including support materials composed of different gas diffusion layers and 

textile materials with different structures are calculated. We can define this kind of 

support type as technical textile, since it can be used in the application of electrotextile 

fairly studied recently. The support materials having different structures are 

paper 20% PTFE (membran thickness=0,33 mm) , cloth-plain 20% PTFE (membran 

thickness=0,35 mm), cloth-plain 20% PTFE (membran thickness=0,4 mm), clothsatin 

20% PTFE (membran thickness=1,3 mm) and cloth-knitted 20% PTFE 

(membran kalınlığı=1,4 mm). 

Ideal cell temperature is 80 °C in the PEM fuel cells. The pressures of the anode and 

the cathode are 3 atm and 5 atm, respectively. In those conditions, PEM fuel cell is 

found to be the most efficent. According to the results, cloth-plain 20% PTFE 

(membran thickness=0,35 mm) and paper 20% PTFE (membran thickness=0,33 mm) 

type support materials used in the gas diffusion layer supplied higher efficency. 

Key words: Technical textile, e-textile, Nafion, PEM membrane, exergy, fuel cells. 

2010, 102 pages



TEŞEKKÜR 

Çalışmalarım boyunca benden yardım ve katkılarını esirgemeyen danışmalarım Yrd. 

Doç. Dr. İbrahim Üçgül’e ve Yrd. Doç. Dr. Sibel Yıldız’a, yine Yüksek Lisansa 

başladığım günden beri bana her türlü desteği veren ve iş hayatımda bilgi ve 

tecrübelerini esirgemeyen şefim Muhammed Arshad’a saygı ve teşekkürlerimi 

sunarım. 

Çalışmalarım boyunca en zor anlarımda beni sürekli destekleyen ve maddi manevi 

yardım ve fedakârlıklarını esirgemeyen annem, babam ve kardeşlerime çok teşekkür 

ederim. 

İrem TURHAN 

ISPARTA, 2010



ŞEKİLLER DİZİNİ 

Şekil 2.1. 1839 yılında Sir William Grove tarafından geliştirilen yakıt hücresi…….18 

Şekil 2.2. Yakıt hücresi çeşitleri...........................…………………………………..22 

Şekil 2.3. PEM Yakıt hücresi şematik görünümü…………………………………...29 

Şekil 2.4. PEM Yakıt hücresi diyagramı……………………………………………30 

Şekil 2.5. Polietilenin yapısı………………………………………………………...34 

Şekil 2.6. PTFE’nin yapısı…………………………………………………………..34 

Şekil 2.7. Nafyonun kimyasal yapısı………………………………………………..35 

Şekil 2.8. (a) Nafyon Membranlarının Taşınım Olayı ve (b) Modifiye Demet Ağ 

Modelinin şematik görünümü…………………………………………….....36 

Şekil 2.9. Polarizasyon eğrisi......................................................................................47 

Şekil 2.10. Yakıt hücresi yığınındaki bileşenlerin maliyet yüzdeleri.........................62 

Şekil 4.1. 0,01 A/cm 2 akım yoğunluğunda ekserji-enerji verimlerinin 

sütun grafiği..................................................................................................78 


sütun grafiği..................................................................................................78 


sütun grafiği..................................................................................................79 


sütun grafiği.................................................................................................79 


sütun grafiği..................................................................................................80 


sütun grafiği.................................................................................................80 


sütun grafiği.................................................................................................81 


sütun grafiği.................................................................................................81 


sütun grafiği.................................................................................................82




sütun grafiği...................................................................................................82 


sütun grafiği...................................................................................................83 


sütun grafiği..................................................................................................83 

Şekil 4.13. Kağıt %20 PTFE; kalınlık 0,33 mm destek malzemesi kullanılan 

PEMFC için değişen akım yoğunluklarına karşı enerji verimi grafiği ..........84 

Şekil 4.14. Kağıt %20 PTFE; kalınlık 0,33 mm destek malzemesi kullanılan 

PEMFC için değişen akım yoğunluklarına karşı ekserji verimi grafiği .........84 

Şekil 4.15. Kumaş, Ekose %20 PTFE; kalınlık 0,35 mm destek malzemesi 

kullanılan PEMFC için değişen akım yoğunluklarına karşı enerj 

verimi grafiği...................................................................................................85 


kullanılan PEMFC için değişen akım yoğunluklarına karşı ekserji 

verimi grafiği...................................................................................................85 


kullanılan PEMFC için değişen akım yoğunluklarına karşı enerji 

verimi grafiği..................................................................................................86 



verimi grafiği................................................................................................86 

Şekil 4.19. Kumaş, Saten %20 PTFE; kalınlık 1,3 mm destek malzemesi 


verimi grafiği................................................................................................87 

Şekil 4.20. Kumaş, Saten %20 PTFE; kalınlık 1,3 mm destek malzemesi 


verimi grafiği.................................................................................................87 

Şekil 4.21. Kumaş, Örme %20 PTFE; kalınlık 1,4 mm destek malzemesi 


verimi grafiği...............................................................................................88



Şekil 4.22. Kumaş, Örme %20 PTFE; kalınlık 1,4 mm destek malzemesi 


verimi grafiği.................................................................................................88 

Şekil 4.23. 0,01 A/cm 2 akım yoğunluğunda çalışan PEM yakıt hücresinin 

membran kalınlıklarına göre enerji ve ekserji verimleri grafiği ....................89 












membran kalınlıklarına göre enerji ve ekserji verimleri grafiği.....................92 




membran kalınlıklarına göre enerji ve ekserji verimleri grafiği ...................93 






membran kalınlıklarına göre enerji ve ekserji verimleri grafiği .....................94



ÇİZELGELER DİZİNİ 

Çizelge 2.1. Temel yakıt hücre tiplerinin tanımlanması ............................................21 

Çizelge 2.2. Yakıt hücrelerinde gerçekleşen elektro kimyasal tepkimeler ................44 

Çizelge 2.3. PEMFC Yığınındaki bileşenlerin maliyetleri.........................................63 

Çizelge 2.4. PEMFC Sistemi maliyetinin içten yanmalı motor (ICE) sistemi 

maliyetleriyle karşılaştırılması........................................................................63 

Çizelge 3.1. GDL’lerin tanımlanması ........................................................................64 

Çizelge 3.2. Hesaplamalar için sabit ve değişken parametreler .................................66 

Çizelge 4.1. 0,01 A/cm 2 Akım yoğunluğunda enerji-ekserji verimleri ve 

birim alanda elde edilen elektrik gücü............................................................71 




















birim alanda elde edilen elektrik gücü............................................................76




birim alanda elde edilen elektrik gücü............................................................77



SİMGELER DİZİNİ 

G 

Gibbs serbest enerjisi 

G° Standart Gibss serbest enerjisi 

S° Standart entropi 

H 

Entalpi 

H° Standart entalpi 

∆G 

∆G° 

∆H 

∆H° 

∆S 

Gibbs serbest enerjisindeki değişim 

Standart Gibbs serbest enerjisindeki değişim 

Entalpi değişimi 

Standart entalpideki değişim 

Entropi değişimi 

0 

∆ S Standart şartlarda molar entropi değişimi 

ƞ g 

ƞ i 

V g 

V i 

V act 

V conc 

V ohm 

V cell 

i 

Wel 

n 

Gerçek verim 

İdeal verim 

Gerçek hücre gerilimi 

İdeal hücre gerilimi 

Aktivasyon aşırı gerilimi 

Konsantrasyon aşırı gerilimi 

Omik aşırı gerilimi 

Toplam hücre gerilimi 

Akım yoğunluğu 

Maksimum elektrik işi 

Elektron sayısı



F 

E 

E o 

E rev 

Faraday sabiti 

İdeal potansiyel 

Standart referans gerilimi 

Tersinir gerilim 

E° rev Sıcaklığa göre standart referans gerilim 

T 

Yakıt hücresi sıcaklığı 

T Standart sıcaklık 

P A , P C 

P sat 

P H2 , P O2 , P H2O 

Sırasıyla anot ve katot basıncı 

Suyun doygun basıncı 

Sırasıyla hidrojenin, oksijenin ve suyun kısmi basınçları 

χ 

H 2 

, 

χ 

O 2 

Sırasıyla hidrojenin ve oksijenin mol kesirleri 

χ 

H 2 O 

Anot ve katottaki suyun mol kesri 

χ 

A 

, 

χ 

C 

Sırasıyla anot ve katot kuru gaz mol kesirleri 

a 2 

, a , a Sırasıyla suyun, hidrojenin ve oksijenin kimyasal aktiviteleri 

2 2 

H O 

H 

O 

ξ 

A 

, ξ 

C 

Sırasıyla anot ve katot stokiyometreleri 

R 

ohm 

Omik hücre direnci 

t 

m 

Membran kalınlığı 

σ 

m 

Membran kalınlığına göre iletkenlik 

λ 

mem 

Membranın su içeriği 

W & FC 

Birim alanda elde edilen elektrik gücü 

ε ~ 

ε 

C ~ 

P 

R 

Molar ekserji 

Gazın izobarik ekserji kapasitesi 

Molar gaz sabiti



HHV H2 

PEMFC 

DMFC 

PAFC 

AFC 

MCFC 

SOFC 

SPI 

PES 

PA 

PTFE 

PP 

in 

out 

i 

g 

T 

PH 

CH 

KN 

PN 

ohm 

act 

conc 

Hidrojenin üst ısıl değeri 

Polimer Elektrolit Membran Yakıt Hücresi 

Doğrudan metanol kullanılan Yakıt Hücresi 

Fosforik Asit Yakıt Hücresi 

Alkalin Yakıt Hücresi 

Erimiş Karbonat Yakıt Hücresi 

Katı Oksit Yakıt Hücresi 

Sülfonlanmış Polimit 

Polyester 

Poliamid 

Politetrafloretilen 

Polipropilen 

Giriş 

Çıkış 

İdeal 

Gerçek 

Termal 

Fiziksel 

Kimyasal 

Kinetik 

Potansiyel 

Omik 

Aktivasyon 

Konsantrasyon



1.GİRİŞ 

Tekstil sektörü Türkiye ekonomisinin bel kemiğini oluşturan önemli sanayi 

alanlarından biridir. Sadece üretim aşamasında değil, aynı zamanda hammadde 

üretimi, yan sanayisi ve bunun yanında olmazsa olmaz hazır giyim sektörüyle başlı 

başına kendine yeten ve tamamlayan önemli çalışma alanlarından da biridir. Ancak 

son yıllarda ekonomik değişimler, piyasaya yeni giren ve ucuz iş gücüyle tekstil 

sektöründe önemli sarsılmalara sebep olan ülkeler ile tekstil sektörü, hammadde 

üreticisi, üretim sektörü, yan sanayisi ve hazır giyim alanlarında birbirini izleyen 

sarsılmalar yaşamıştır. Teknik tekstiller gibi standart ürün üretimine yönelik, yüksek 

ürün kalitesine sahip, dolayısıyla bilgi birikimi ve tecrübenin en çok ihtiyaç 

duyulduğu, kendi piyasasını oluşturabilecek ürün üretiminin bu krizden kazançlı bir 

şekilde çıkmayı sağlayacak yollardan biri olduğu düşünülmektedir. 

Teknik tekstiller, mekanik, fiziksel ve elektriksel dayanıklılık gibi, yüksek teknik ve 

kalite özelliklerini taşıdıklarından, birçok alanda kullanılmaktadırlar. Son yıllarda 

elektronik tekstillere olan ilgi dikkat çekmektedir. Elektronik tekstiller akıllı 

tekstillerin bir uzantısı olarak karşımıza çıkar. Teknik tekstillerin en önemli özelliği, 

giyim dışında birçok sektörde kullanılabilmesidir. Elektronik tekstillerin giyim 

dışında önemli bir kullanım alanı yakıt hücresi teknolojisidir. 

Gelişen teknoloji ve buna bağlı olarak duyulan enerji ihtiyacı giderek artmakla 

birlikte, günümüzde kullanılan odun, kömür, petrol, doğal gaz gibi fosil yakıtların 

zamanla tükenme tehlikesi ve enerji dönüşümü sırasında açığa çıkardıkları atık 

gazların doğaya ve insan sağlığına olan zararları gibi dezavantajlarının olması bu 

yakıtlara alternatif olabilecek enerji kaynaklarının araştırılmasına sebep olmaktadır. 

Bu açıdan çağın ve geleceğin bir numaralı enerji kaynağı olacağına inanılan 

hidrojenin enerjisi diğer yakıtlara göre daha yüksek ve aynı zamanda çevre dostu 

temiz bir enerjidir. Günümüzde yaygın olarak çalışılan bir konu, hidrojeni yakıt 

olarak kullanan yakıt hücreleridir. Yakıt hücreleri kullanılan elektrolite göre 

sınıflandırılırlar. Polimer Elektrolit Yakıt Hücreleri (PEMFC) işletimlerinin kolay



olması, zararlı emisyonlarının olmaması, verimlerinin içten yanmalı motorlara göre 

çok yüksek olması, yüksek enerji yoğunlukları gibi avantajlara sahiptirler. 

Yakıt hücresinin performansının artışındaki en büyük etken membran yapısıdır. 

Proton iletken malzemeler, protonların geçişine izin verip elektronları geçirmeyen ve 

özellikle membran olarak kullanılabilen malzemelerdir. Son 10 yıldır üzerinde 

oldukça fazla çalışılan bu malzemeler, yakıt hücreleri ve çeşitli elektrokimyasal 

enerji dönüşüm cihazlarında kullanımları için gelecek vaat etmektedirler. Bu 

malzemeler hem inorganik hem de organik olabilirler. Proton iletken bir malzeme 

olan proton değişim membranı PEMFC’ lerin kalbidir ve genellikle Dupont’un 

Nafyonu PEM olarak kullanılmaktadır. Nafyonun yüksek maliyeti (yaklaşık 400 

Euro/m 2 ), yüksek sıcaklıklardaki iletkenlik kaybı ve yüksek metanol geçirgenliği gibi 

bazı dezavantajlarının olması PEMFC’lerde kullanımlarını sınırlamaktadır 

(Kamarudin vd., 2006). Buna rağmen PEM yakıt hücresinde en çok verim Nafyon 

membranlı yakıt hücrelerinden elde edilmektedir. Yakıt hücresinin performansına 

etkiyen bir diğer faktör de hücre de kullanılan gaz difüzyon tabakasıdır. 

Bir PEM yakıt hücresinin temel yapısı bir elektrolit membran ve membranın her iki 

yanında çiftleşmiş bir katalizör tabakasına sahip bir çift gaz difüzyon elektrotundan 

oluşur. Gaz difüzyon elektrotlarından biri (anot) hidrojen veya metanol formundaki 

yakıtla beslenir. Diğer gaz difüzyon elektrotu (katot) oksijen ya da hava formundaki 

bir oksidantla beslenir. Bir PEM yakıt hücresinin verimi birçok faktöre bağlıdır. 

Bunlardan en önemlisi yakıt hücresinin temel bileşeni olan, iletkenliği sağlayan 

elektrolittir. Bunun yanında elektrot gözeneklerindeki gaz difüzyonu, çözelti ve 

elektrot yüzeyi arasındaki transfer hızı, reaktant ve ürünlerin membran bölgesindeki 

difüzyon hızları, gaz dağılımının düzgün olması yakıt hücresi verimini oldukça 

etkileyen faktörlerdir. Bu nedenle gazların difüzyonunun ve madde iletiminin 

istenilen şekilde sağlanabilmesi için birçok gaz difüzyon tabakası (GDL) üretimi 

üzerinde durulmuştur. Burada gaz difüzyon tabakası üretilirken önemli bir parametre 

de destek malzemesinin tipidir. Destek malzeme olarak genellikle karbon kağıt veya 

dokusuz ya da dokuma kumaş kullanılmaktadır. Bu kumaşlar membranın hem 

kalınlığına hem de difüzyonuna etki etmektedir. Gaz difüzyon tabakasının bir diğer



görevi PEM yakıt hücresinde reaksiyon sonucu oluşan fazla suyun membrandan 

rahat bir şekilde uzaklaştırılmasını sağlamaktır. Membran bölgesindeki difüzyon bir 

tekstil materyali ile sağlanmaktadır. Proton iletken malzemenin membran haline 

getirilmesinde son yıllarda önemi giderek artan teknik tekstildeki gelişmelerden 

faydalanılmaktadır. Membranın, taşınabilmesi ve saklanabilmesi amacıyla dokusuz 

yüzey ya da dokuma kumaşa uygulanmış kompozit halinde üretilmesi oldukça 

önemlidir. Aynı zamanda dokuma kumaş ile desteklenmiş şekildeki membran gaz 

difüzyonunu iyileştirmesi açısından arzu edilen bir durumdur. Elektronik tekstiller 

iyi iletkenlik özellikleri gösterdiğinden, bir PEM yakıt hücresinin gaz difüzyon 

tabakasında destek malzeme olarak kullanılabilirler. Yakıt hücresinin temel 

bileşenleri olan bu hidrojen yakıtı ve oksijen oksitleyicinin, iletkenliği sağlayan 

membrana ulaşması gaz difüzyon tabakaları sayesindedir. Bu nedenle gaz difüzyon 

tabakasında kullanılan destek malzemenin yapısı oldukça önemlidir. Bu destek 

malzemenin gaz iletimi bakımından iyi iletkenlik gösteren bir elektronik tekstil 

materyalinden oluşması, yakıt hücresinin verimini arttıracaktır. 

Günümüzde yakıt hücreleri üzerinde yapılan çalışmalar verimi arttırmak ve aynı 

zamanda maliyeti düşürmek üzerinedir. Doğal olarak verimin arttırılması, maliyeti 

yükseltmektedir. PEM yakıt hücreleri çalışma koşulları, yüksek verimi, işletimlerinin 

kolay olması gibi özelliklerinden dolayı en çok araştırılan yakıt hücresi tipidir 

(Şenol, 2001). Yakıt hücresi performansını etkileyen parametrelerin tespiti önemlidir. 

Bu performansı belirlemek için, son yıllarda yakıt hücresindeki enerji ve ekserji 

analizleri kullanılmaya başlanmıştır. Bu nedenle, çalışmamızda, farklı tipteki 

elektronik tekstil materyaliyle desteklenmiş Nafyon membran içeren, düşük 

sıcaklıktaki bir PEM yakıt hücresinin ekserji ve enerji analizleri yapılmıştır. 

Membran kalınlığı ve yapısının yakıt hücresinin performansı üzerine etkileri tespit 

edilmeye çalışılmıştır. Elektronik tekstillerin yakıt hücrelerindeki rolü belirlenmeye 

çalışılmıştır.



2. KAYNAK ÖZETLERİ 

2.1. Teknik Tekstiller 

Teknik tekstil deyince “estetik ve dekoratif özelliklerinden ziyade, öncelikle teknik 

performansları ve fonksiyonel özellikleri için üretilen tekstil malzemeleri ve 

ürünleri” anlaşılmaktadır. Özel olarak tasarlanan, herhangi bir üründe veya süreç 

dâhilinde veya yalnız başına belirli bir özelliği yerine getirmek amacıyla kullanılan 

malzemelere “teknik tekstil” denmektedir (İTKİB Genel Sekreterliği, 2005). Bu 

malzemeler yüksek teknik ve kalite gereksinimlerini (mekanik, termal, elektriksel, 

dayanıklılık vb.) karşılayabilme kapasitesine sahiptirler. Teknik tekstiller bu 

terimlerden başka, endüstriyel tekstiller, yüksek performanslı tekstiller, yüksek 

teknik tekstiller, geleneksel olmayan tekstiller, mühendislik tekstilleri diye de 

isimlendirilebilir (Emek, 2004). 

Teknik tekstiller pahalı, katma değeri yüksek ürünlerdir. Kimyasallara, hava 

şartlarına, mikroorganizmalara dayanıklı, yüksek mukavemet, yanmazlık gibi üstün 

performans özelliklerine sahip ürünlerdir. Bu ürünler tekstil dışındaki alanlarda da 

kullanılırlar; ancak alıcı bizzat teknik tekstil ürününü kullanmaz, herhangi bir 

malzemenin parçası olarak kullanılır (İTKİB Genel Sekreterliği, 2005). 

Teknik tekstillerin çok kısa bir sürede hızlı gelişme göstermesinde malzemeden 

beklenen esneklik, elastikiyet ve dayanıklılık gibi özelliklerinin yanında sınırsız 

tasarım olanakları, kullanılıp atılabilme ve kendiliğinden bozunabilme gibi 

özelliklere sahip olmaları etkili olmuştur. 

Teknik tekstiller yaygın olarak nonwoven (dokusuz yüzey) olarak da tanımlanmakta 

ise de aslında dokusuz yüzeyler teknik tekstillerin en önemli alt kalemidir. 

Nonwoven aslında keçe olarak adlandırılan dokusuz bir yüzeydir. Örneğin, günlük 

hayatımızda önemli bir yer tutan ıslak mendil spunlace (suyla iğneleme) yöntemiyle 

üretilmiş bir keçedir. Nonwoven kumaşlar elyaf, filament veya film benzeri yapıların



katmanlar halinde birbirine geçmesiyle oluşmuş düz, esnek ve gözenekli yapılardır 

(Emek, 2004). 

Teknik teksilerin önemli bir parçasını da elyaf ve tekstil ile takviye edilmiş kompozit 

materyaller oluşturmaktadır. Özellikle uzay, havacılık, askeriye ve tıp gibi ileri 

teknolojinin kullanıldığı alanlarda kritik bir öneme sahip olan teknik tekstiller, 

günlük yaşantıda spor, gezinti ve eğlence giysileri, döşemeler, mobilyalar, bina ve 

donanımı gibi alanlarda aktif olarak kullanımdadırlar (İTKİB Genel Sekreterliği, 

2005). 

Teknik tekstillerin kullanım alanlarını aşağıdaki şekilde sıralayabiliriz. 

1.Taşımacılık teknik tekstilleri (mobiltech) 

2. Hijyen ve tıbbi teknik tekstiller (medtech) 

3. Jeotekstiller (Geotech) 

4. Endüstriyel tekstiller (Indutech) 

5. Koruyucu giysiler (Protech) 

6. Bina ve inşaat teknik tekstilleri (Builtech) 

7. Tarım teknik tekstilleri (Agrotech) 

8. Aktif spor ve boş zaman teknik tekstilleri (sporttech) 

9. Ev teknik tekstilleri (hometech) 

10. Ambalaj teknik tekstilleri (packtech) 

11. Giyim teknik tekstilleri (Clothtech) 

12. Ekolojik ve çevre teknik tekstilleri (ecotech) 

13. Gıda teknik tekstilleri 

14. Akıllı tekstiller 

15. E-tekstiller 

2.1.1. Taşımacılık teknik tekstilleri 

Taşıt araçlarında (otomobiller, ağır vasıta araçları, traktörler, deniz araçları, hava 

taşıtları, trenler) kullanılan teknik tekstillerin yaklaşık %20’ lik pay ile toplam teknik



tekstillerin en önemli bölümünü oluşturan grup olduğu tahmin edilmektedir (Tekstil 

teknik, 2009). Taşımacılıkta kullanılan teknik tekstiller dekorasyon, izolasyon, 

filtreleme gibi işlevlerin yanı sıra araçlarda konfor da sağlamaktadır. Ayrıca, tekstil 

malzemeleri taşıt araçlarının zırh kaplamalarında da yoğun olarak kullanılmaktadır. 

Taşımacılıkta kullanılan teknik tekstil ürünlerini emniyet kemerleri, hava yastıkları, 

koltuk kumaşları, oto aksesuarları, oto kılıfları, koltuk kılıfları, filtreler, halı 

tabanları, kord bezi, kompozit takviyeleri, hortum ve kayış takviyeleri gibi ürünler 

oluşturmaktadır (Tekstil teknik, 2009). 

Bir otomobilde ortalama 13-14 kg tekstil ürünü kullanılmaktadır. Bunlar sadece 

araba halısı, döşemeler, tavan ve emniyet kemeri gibi görünen yerlerde değil, aynı 

zamanda lastiklerde, su hortumlarında, fren hortumlarında ve kayışlarda esnek 

takviye malzemesi olarak da kullanılmaktadır (Tekstil teknik, 2009). Karoser ve 

hatta süspansiyon sisteminin bazı parçaları, artan bir şekilde cam elyaf takviyeli 

bileşiklerden yapılmaktadır. Aracın çeşitli parçalarının yalıtımı için ısı dayanımlı ve 

ses geçirmeyen tekstil ürünleri kullanılabilmektedir. Yağ ve benzin filtreleri aracın 

düzgün çalışmasını sağlamakta olup; hatta dokusuz yüzeylerin, araç içindeki havayı 

filtre etmek için, kullanımı giderek artmaktadır. Nihayet, hiç kullanılmaması temenni 

edilen ancak en zor teknik talepleri karşılaması beklenen hava yastıkları, ABD’de 

yeni araçlarda neredeyse standart bir parça olarak üretilmektedir ve muhtemelen 

birkaç yıl içinde tüm Avrupa’da da standart hale gelecektir. 

Taşıt araçlarının üretiminde metal, çelik ve geleneksel malzemelerin yerine yüksek 

performanslı liflerin ve teknik tekstillerin kullanılmasıyla taşımacılık sektöründe 

daha hızlı ve konforlu hizmet sağlanmasında önemli avantajlar elde edilmektedir 

(Dedetürk, 2004). 

2.1.2. Hijyen ve tıbbi teknik tekstiller 

Tıp, tekstil sanayisinin gerek elyaf gerekse mamul olarak sunduğu olanaklardan 

ağırlığı gittikçe artan bir şekilde yararlanan alanlardan biridir.



Günümüzde cerrahi ürünlerden sargı bezlerine, yapay organlardan damar greftlerine 

kadar çok farklı ürünlerde teknik tekstil ürünleri kullanılmaktadır. Günümüzde tıbbi 

tekstil sektörü tekstil endüstrisinin önemli ve gelişen bir bölümdür. Dünya çapında 

teknik tekstil sektörü içindeki payı %13,2’ dir (Tekstil teknik, 2009). Polimer 

teknolojisine bağlı olarak mevcut liflerin geliştirilmesi ve yeni liflerin üretilmesi ve 

tekstil yapılarının çeşitlenmesi sonucu, tıp ve cerrahinin pek çok alanında 

kullanılmaya uygun tıbbi tekstiller olarak adlandırılan bu ürünler insanların ve 

hayvanların tıbbi bakımı ve hijyeni için kullanılırken, personelin ve teçhizatın 

korunmasına da yardım ederler (Cireli vd., 2007). 

Polimer teknolojisine bağlı olarak mevcut liflerin geliştirilmesi, yeni liflerin 

üretilmesi ve tekstil yapılarının çeşitlenmesi sonucu tıp ve cerrahinin pek çok 

alanında kullanılmaya uygun olan bu ürünler tıbbi tekstiller olarak bilinmekte olup 

insanların ve hayvanların tıbbi bakımı ve hijyeni için kullanılmaktadır. Mukavemeti 

ve esnekliği bünyesinde bir arada bulundurmasının yanında geniş ürün çeşidi 

sunması, çok fonksiyonlu karakteri, çevre ve doku ile biyolojik uyum gösterebilmesi 

ve çeşitli malzemelerle birleşebilmesi tıbbi tekstillerin özellikleri arasındadır (Tekstil 

Teknik, 2009). 

2.1.3. Jeotekstiller 

Jeotekstiller; binalarda temel malzemesi, toprak, kaya, yer ile, ya da insan ürünü 

projelerin, yapıların ve sistemlerin entegre bir parçası olarak ilgili maddelerle birlikte 

herhangi bir jeoteknik mühendisliğinde kullanılan tekstil ürünleridir. Jeotekstiller 

pamuk, yün gibi doğal elyaflardan ziyade sentetik elyaflardan üretilen tekstil 

ürünleridir. 

İnşaat mühendisliği alanında, toprak içerisinde veya toprakla temas halinde 

kullanılan membranlar, “jeosentetikler” olarak adlandırılmaktadır. Jeosentetiklerin 

içinde en önemlilerinin, jeotekstiller olduğu kabul edilmektedir. Jeotekstiller, sonsuz 

veya kesik lifler şeklinde veya dokuma, örme ve nonwoven kumaşlar şeklinde 

olabilmektedir. Jeotekstiller, ayırma, filtrasyon, drenaj, takviye, erozyon kontrolü ve



koruma amaçlı kullanılmakta olup, sınırsız uygulama alanına sahiptirler (Tekstil 


2.1.4. Endüstriyel tekstiller 

Endüstriyel tekstiller daha önce teknik tekstillerin tümü için kullanılmasına rağmen 

belirli bir işlev gören ve performans artırıcı tekstil ürünlerinin sağlık, spor, tarım gibi 

sektörlerde de yaygın bir şekilde kullanılmasına başlanmasıyla endüstriyel tekstiller 

teknik tekstillerin bir alt dalı olarak görülmeye başlanmıştır. 

Endüstriyel tekstiller doğrudan endüstriyel işlemlerde kullanılan filtreler, taşıma 

bantları ve aşındırma bantları, baskılı devre plaketleri, temizlik bezleri, contalar, 

sızdırmazlık elemanları ve diğer endüstriyel ekipmanlar gibi endüstriyel ürünlerin 

içine dahil edilen tekstil ürünlerini kapsamaktadır (Tekstil Teknik, 2009). 

2.1.5. Koruyucu giysiler 

Koruyucu giysiler kişinin çeşitli tehlikelerden korunmasını sağlamak ve/veya bu riski 

azaltmak için giyilen giysilerdir. İtfaiyeci giysileri, kaynakçılar için erimiş metallere 

karşı koruma giysileri, kurşun geçirmez yelekler vb. için ısı ve radyasyona karşı 

koruma yüksek performanslı liflerden yapılmış teknik tekstiller ile sağlanmaktadır. 

Kurşun geçirmez yeleklerde yüksek mukavemete, yüksek ısı dayanımına ve düşük 

çekme özelliğine sahip özel bir lif olan aramidler kullanılmaktadır. Güç tutuşur 

yeleklerde yüksek mukavemet, kimyasal ve alev dayanımı nedeniyle cam lifleri de 

kullanılmaktadır. Uygulama alanına bağlı olarak, koruyucu giysiler kimyasal veya 

biyolojik materyaller, alev ve ısı kaynakları, elektrostatik boşalmalar ve 

elektromanyetik radyasyonlardan zarar görme riskini azaltmalı ve çeşitli alanlarda 

çalışan kişileri (laboratuarlarda, tıbbi kuruluşlar ve zararlı madde içeren ortamlarda), 

itfaiyecileri, polis ve askeri personeli mermi ve bıçak gibi silahlardan korumalıdır. 

Koruyucu giysiler aynı zamanda uzaya giderken astronotlar tarafından



kullanılmaktadır. Astronotların elbiseleri onları güneşin ısısından koruyacak özel bir 

kimyasalla kaplanmaktadır. Yalnızca elbiseleri özel liflerden yapılmakla 

kalmamakta, aynı zamanda uzay gemilerinin içi de özel bir kumaşla kaplanmaktadır 

(Tekstil Teknik, 2009). 

Genel anlamda, koruyucu giysiler sekiz ana kategoride sınıflandırılabilir. 

1.Termal Koruma Giysileri 

2. Nükleer, Biyolojik ve Kimyasallara (NBC) Karşı Koruma Giysileri 

3. Kimyasallara Karşı Koruyucu Giysiler 

4. Mekaniksel Koruma Giysileri 

5. Elektrikten Koruyucu Giysiler 

6. Temiz Oda Giysileri: 

7. Radyasyona Karşı Koruyucu Giysiler 

8. Yüksek Görünürlüğe Sahip Giysiler 

2.1.6. Bina ve inşaat teknik tekstilleri 

Tekstil malzemeleri yıllardır binalarda kullanılmaktadır. Bu malzemelerin kullanımı 

sentetik liflerin kullanımı ile birlikte artmıştır. Günümüzde hava alanları, stadyumlar, 

spor salonları, fuar ve gösteri salonları, askeri ve endüstriyel depolar gibi yerlerde bu 

malzemeler oldukça sık kullanılmaktadır. Bu kumaşların binalarda kullanılmasının 

çok sayıda avantajı bulunmaktadır. Bir kumaş kılıfının ağırlığı tuğla çelik veya 

betonun ağırlığının 1/30’u kadardır. Bu sayede hem maliyet azalmakta hem de daha 

az takviye gerektirmektedir. Tekstiller fuar veya spor faaliyetlerinde kullanılabilecek 

engelsiz açıklıklar (tekstille örtülen) sağlar. Oldukça kolay kurulup oldukça kolay 

sökülürler. Kolay zarar görmez ve çabuk tamir edilirler. Deprem vb. afetlere oldukça 

dayanaklıdırlar. Membran yapılar da binalarda kullanılmaktadır. Sentetikle 

kaplanmış veya lamine edilmiş kumaşlar mukavemeti ve çevresel dayanımı 

artırmaktadır (Tekstil Teknik, 2009).



Betonların kuvvetlendirilmesi, kopma ve eğilme mukavemetlerinin artırılması 

amacıyla lif kullanmak (fiber-reinforced concrete) artık tüm inşaat sektöründe yaygın 

olarak başvurulan bir yöntemdir. Bu malzemeler kompozit olarak adlandırılmaktadır. 

Son on yıldır, yapı sektöründe çimentoyu güçlendirmek maksadıyla lif takviyeli 

polimer (fiber reinforced polimer-FRP) kullanımında önemli bir artış olmuştur. FRP 

genellikle polyester, vinil ester veya epoksi polimer matrisinin içinde devamlı 

aramid, karbon ve cam elyafının yerleştirilmesiyle elde edilir. Bu malzemelerin 

mekanik özellikleri çeliğe göre çok farklıdır. Bu özellikler kullanılan elyaf ve reçine 

tipine göre değişmektedir. Genellikle FRP ler çeliğe göre daha düşük ağırlıkta, düşük 

young modülüne sahip fakat daha kuvvetlidir. Ayrıca bu malzemelerin yük-uzama 

eğrileri dik olup, gevrek yapıdadırlar. FRP malzemelerin çeliğe göre en önemli 

avantajları, çelik gibi korozyona uğramamalarıdır (Tekstil Teknik, 2009). 

2.1.7. Tarım teknik tekstilleri 

Tarım ve hayvancılık sektöründeki toplam üründe iklim koşulları önemli derecede 

etkili olmaktadır. Tarımsal ürünlerin üretilmesinde olumsuz doğa koşullarının 

etkisinin en aza indirilmesi için ürünlerin korunması, toplanması ve saklanması için 

tarım teknik tekstilleri kullanılmaya başlanmıştır. Tarımsal alanları dolu, rüzgâr, 

doğal afet gibi olumsuz hava koşullarından ve zararlı böceklerden korumak için 

dokusuz yüzey, örme ve dokuma konstrüksiyonlar önemli bir işlev yüklenmektedir 

(Tekstil Teknik, 2009). 

Balıkçılıkta, tarımsal ürünlerin paketlenmesinde, bitkilerin büyüme sürecinin 

hızlandırılmasında, ürünlerin UV ışınlarından korunmasında, besicilikte hayvanların 

hava şartlarından korunmasında, tarımsal alanların ilaçlanmasında, yabani otların 

büyümesinin önlenmesinde, erozyon ve drenaj gibi birçok uygulamada tarım teknik 

tekstilleri kullanılmaktadır. Bu uygulamalara yönelik ürünlerin tarım sektöründe 

kullanımı son yıllarda yaygınlaşmıştır. Böylelikle, tarım teknik tekstilleri tarım ve 

hayvancılık sektöründeki birçok ihtiyacı karşılamış ve birçok yeni uygulamayla eski 

yapıların yerine kullanılır hale gelmiştir. Bu ürünlerin kullanımı tarım ve hayvancılık



sektörlerindeki verimi, yıllık ürünü ve kaliteyi önemli ölçüde artırmaktadır (İTKİB 

Genel Sekreterliği, 2005). 

Türk tarım sektörünün kronik sorunlarından olan hasat öncesi ve sonrası ürün 

kayıplarının en aza indirgenmesi, üretimde verimliliğin artırılması, maliyetlerin 

düşürülmesi açısından bakıldığında, tarım teknik tekstilleri ülkemiz için önemli bir 

potansiyel arz etmektedir. Ayrıca, katma değeri yüksek tarımsal ürünlerin 

üretilmesinde tarım teknik tekstillerin kullanılması, bu ürünlerden elde edilebilecek 

rekoltelerin artırılmasına önemli katkı sağlayacaktır. Bu amaca ulaşmak için tarım 

teknik tekstilleri konusunda büyük çapta üretim yapan firmalarımızın/çiftçilerimizin 

bilinçlendirilmesi gerekmektedir (Tekstil Teknik, 2009). 

2.1.8. Aktif spor ve boş zaman teknik tekstilleri 

Olimpiyatlar, dünya şampiyonaları ve diğer bölgesel sportif aktivitelere verilen önem 

gün geçtikçe artmaktadır. Yüksek performans sağlayan, her türlü hava şartlarında 

vücut ısısını dengede tutan ve faaliyet gösterilen spor dalındaki ihtiyaçlara göre 

tasarlanan sportif giysiler ve malzemeler için talep son yıllarda büyük artış 

göstermektedir. 

Tekstil malzemeleri hemen hemen bütün spor aktivitelerinde kullanılır hale gelmiştir. 

Spor giysileri olarak kullanılan tekstiller yüksek performans özelliği olan lif ve 

kumaşlardan oluşmaktadır. Örneğin yüzücü mayoları, jimnastik ve kayak giysileri, 

orijinal boylarının 5 katı daha fazla uzama özelliğine sahip Spandex, Lycra ve 

Elastan olarak isimlendirilen poliüretan köpük (PUR) liflerinden yapılmaktadır. Bu 

lifler diğer doğal liflerle karışım halinde kullanılabilir (Tekstil Teknik, 2009). 

2.1.9. Ev teknik tekstilleri 

Kumaşlar, nonwoven ürünler ve kompozit takviyeleri dışındaki diğer tekstiller için 

en büyük kullanım alanı (bu kategorideki tekstil ve liflerin toplam ağırlığının % 

35’inden fazlası) ev tekstilleri ve döşemelikler ve özellikle vatka ve dolgu lifi



uygulamalarındaki serbest liflerin kullanımlarını kapsamaktadır. Mükemmel yalıtım 

özellikleri bulunan içi boş lifler geniş çapta yatak ve uyku tulumlarında 

kullanılmaktadır. Diğer tipteki lifler ise yangın ve sağlık problemleri nedeniyle hızla 

mobilyalardaki köpüklerin yerini almaya başlamıştır (Tekstil Teknik, 2009). 

Dokuma kumaşlar halen halı ve mobilya altlıklarında ve perde bantları gibi daha özel 

ve daha küçük alanlarda kullanılmaktadır. Ancak “spunbonded” gibi nonwoven 

ürünler, çeşitli kuru serim ve suyla karıştırma teknikleri ile elde edilen ürünler ev 

temizleme uygulamaları için klasik bezlerin yerini alırken, bu büyük piyasa içerisine 

önemli bir giriş yapmışlardır. Ayrıca, nonwovenlar elektrik süpürgesi, mutfak 

aspiratörü, havalandırma tertibatı gibi birçok ev eşyasında kullanılmaktadır (Tekstil 


2.1.10. Ambalaj teknik tekstilleri 

Tekstillerin önemli kullanımları geleneksel olarak pamuk, keten, jüt ve artan bir 

şekilde polipropilenden yapılmış torba ve çuvalları kapsamaktadır. Polipropilenin 

mukavemet ve düzgünlüğü, modern malzeme işleme teknikleri ile kombine 

edildiğinde gübre, kum, çimento ve şekerden başlayarak boyarmaddelere kadar 

değişen toz ve granül halindeki malzemenin daha etkin taşıma işlemleri ve dağıtımı 

için FIBC’lerin (Flexible Intermediate Bulk Containers) ortaya çıkarılmasına olanak 

sağlamıştır. Yarım tondan iki tona kadar taşıma kapasitesi bulunan “big-bag”ler özel 

astarlar, taşıma şeritleri ve doldurma/boşaltma düzenleri ile donatılabilmektedir. 

Kullanılıp atılan “one-trip” çuval ve torbaların yerine birçok uygulamalarda bu 

konteynerlerin yeniden kullanılabilme olanağı, geniş çaplı kullanımı için önemli bir 

avantaj durumundadır (İTKİB Genel Sekreterliği, 2005) 

Ambalaj piyasasının hızla büyüyen bir bölümü dahi, özellikle gıda endüstrisinde, 

birçok sarma ve koruma uygulamalarında hafif ağırlıklı nonwoven ve örme yapılarını 

kullanmaktadır. Çay ve kahve poşetleri ıslak serimli nonwoven ürünlerinden 

yapılmaktadır.



Etler, sebzeler ve meyveler sıvıların emilmesi için nonwoven aralarla 

paketlenmektedir. Diğer meyveler ve sebze ürünleri örme ağ paketlerde satışa 

sunulmaktadır. Paketleme teknik tekstilleri ülkemizin teknik tekstiller içerisinde en 

güçlü olduğu alandır. Paketleme teknik tekstillerinin büyük kısmını oluşturan big bag 

(büyük çuval, örme çuval) ihracatımız 2004 yılı rakamlarına göre 225 milyon dolar 

ile teknik tekstil ihracatımız içinde birinci sıradadır. Bu ürün grubunda ülkemiz 2003 

yılı rakamlarına göre dünya ihracatında % 33 pay ile birinci konumdadır (Tekstil 


2.1.11. Giyim teknik tekstilleri 

Giyim teknik tekstilleri hazır giyim ve ayakkabı sektörlerinde kullanılan telalar, 

vatkalar, dikiş iplikleri, ayakkabı bağı ve izolasyon malzemelerinden oluşmaktadır. 

Telalar, yapıştırıldığı kumaşın şeklini korumasını ve sabit kalmasını sağlarken, 

vatkalar giysilere ek bir hacim ve şekil kazandırmaktadır (Tekstil Teknik, 2009). 

Tekstil ve hazır giyim ürünlerine su geçirmezlik, leke tutmazlık, buruşmazlık, 

antimikrobiyallik, anti statiklik, UV koruyuculuk, yanmazlık veya güç tutuşurluk ve 

daha iyi boyanılabilirlik gibi özellikler kazandıran nanoteknoloji tabanlı ürünler 

geliştirilmiş ve kullanımları yaygınlaşmaya başlamıştır (Üreyen, 2006). 

2.1.12. Ekolojik ve çevre teknik tekstilleri 

Ekolojik ve çevre teknik tekstilleri taşıt araçlarında ve sanayide kullanılan filtreler, 

erozyonu önlemede kullanılan jeotekstiller gibi diğer alanlarda kullanılan ürünlerden 

oluşmaktadır (Tekstil Teknik, 2009). 

2.1.13. Gıda teknik tekstilleri 

Son yıllarda gıda ambalajlarında nonwoven ürünlerin kullanımı yaygınlaşmaktadır. 

Bu ürünlerden bazıları aynı zamanda yenilebilir tekstillerdir. Gıda ürünlerinin üretim



ortamında taşınması, raflarda bekletilmesi işlemlerinde, artık kolay temizlenebilir 

teknik tekstiller tercih edilmektedir. Gıdaların ısıtılması, kaynatılması ve servis 

edilmesi safhalarında da koruma amaçlı nonwoven ve teknik tekstil ürünlerinin ilk 

örnekleri büyük ilgi görmüştür. Çok yeni bir kategori olması ve hijyenik faydaları bu 

teknik tekstillerin önemini artırmaktadır (Tekstil Teknik, 2009). 

2.1.14. Akıllı tekstiller 

Akıllı tekstiller teknik tekstiller içerisinde katma değeri en yüksek ve yüksek 

teknoloji kullanılan alanlarından birisidir. Akıllı tekstiller tıbbi tekstiller, koruyucu 

ve askeri teknik tekstiller, taşımacılık teknik tekstilleri gibi birçok alanın kapsamına 

giren ancak yüklendikleri işlev ve yapıları itibariyle ayrı bir kategoride 

değerlendirilen bir gruptur. Akıllı tekstillerin önemli bir kısmı günümüzde daha çok 

prototip üretimi aşamasında bulunmaktadır (Tekstil Teknik, 2009). 

Akıllı materyaller ve yapılar, mekanik, ısı, kimyasal, manyetik ve diğer çevresel 

kaynaklardan gelen etkileri algılayan ve bunlara tepki gösteren yapılar ve materyaller 

olarak tanımlanır. Akıllı tekstil materyalleri elektrik iletme özelliklerine, yumuşak 

tutuma ve sıcak tutma özelliğine sahiptirler. 

Akıllı giysi uygulamaları şunlardır (Özbek A, 2006). 

• Biyolojik, kimyasal etkileri algılama ve bunlara cevap verme 

• Bilgisayardan bilgi ve polimer pilden enerji iletimi 

• RF sinyallerinin gönderilmesi ve alınması kimyasal ve biyolojik kirlenme 

olduğunda sesle otomatik uyarı sistemi 

• Kendini onarma, yüksek mukavemetli lifler ile takviye edilen kumaşlar kişiyi 

darbeye karşı korumak amacıyla kullanılmakta 

• Bariyer tabakaları içeren kumaşlar kişiyi zehirli maddelerden koruyabilir. 

• Yer bildirme 

• Işık yayma



• Güneş enerjisini depolama ve kullanma 

• Optik kamuflaj 

• Isıya göre uzayıp kısalma 

2.2. Elektronik Tekstiller 

Elektronik tekstiller akıllı tekstillerin bir uzantısı olarak karşımıza çıkar. Son yıllarda 

elektronik tekstillere olan ilgi dikkat çekmektedir. Gelecekte giysiler sadece gerektiği 

gibi kişileri sıcak veya serin tutmakla kalmayacak, aynı zamanda yetenekleri 

sayesinde dış etkiler-tehlikeler konusunda kişileri uyarabilecek, tedavi amaçlı 

kullanılabilecek, kaybolduğumuzda bulunduğumuz yeri saptayabilecek ve fiziksel 

olarak herhangi bir aktiviteyi yerine getiremediğimiz durumlarda başkaları ile 

iletişim kurmamızı sağlayabilecektir (Tekstil Teknik, 2009). Son altı yıl içinde 

elektriği iletebilen polimerlerin giysilerin birleştirilmesine yönelik çalışmalar sonucu, 

sporculara yaptıkları hareketlerin yanlış olduğunu bildiren, zamanla doğru refleksleri 

kazanmalarına yardımcı olan akıllı bir dizlik geliştirilmiştir. Dizliğin amacı sıçrama, 

ani durma ve yön değiştirme gibi hareketlerin sıkça yapıldığı kayak, basketbol, tenis, 

futbol gibi sporlarda, tedavisi oldukça uzun ve masraflı olan ön çapraz bağ 

yaralanmalarını önlemektir. Dizliği giyen kişi bu bağları tehlikeye sokacak bir 

hareket yaptığında, kumaşın esnemesiyle birlikte, dizliğin içinde bulunan 

polimerlerde değişen elektrik yükü, bir uyarıcıyı harekete geçirerek giyen kişinin 

yanlış hareket yapmasını önlemektedir. Elektronik ve telekomünikasyon endüstrileri, 

21.yüzyılda hayatımızı yönetir hale gelecekler ve bu durumdan konfeksiyon 

endüstrisi de geniş çaplı etkilenecektir. Zararlı etkilerden koruyabilecek, vücut 

fonksiyonları hakkında bilgi verebilecektir (Tekstil Teknik, 2009).



Elektronik fonksiyonlara sahip akıllı giysiler, giyilebilir bilgisayarlar gibi ürünler 

giderek daha da popüler hale gelmiştir. Doğal kaynaklı tekstil malzemelerinin 

elektriği iletmemesi, sentetik liflerin hammaddesi olan polimerlerin organik 

kombinasyonlarının da elektrik akımını iletebilmesi için gerekli olan serbest 

elektronları sağlayamaması sebebiyle bu amaçla tekstil materyallerinin iletkenlik 

özellikleri konusunda nanoteknolojik çalışmalar yoğunlaşmıştır (Coşkun, 2007). 

Tekstil kumaşlarının iletkenliğini değiştirme doğrultusundaki ilk yaklaşım metalik 

tellerin ve ince metalik bantların kullanımıdır. Metalik teller kumaş yapısı içerisine 

ağ gibi örülür ve kumaşa gerekli elektriksel özellikler kazandırır. Kumaşın elektrik 

iletkenliği tel çapı ile kumaş yapısı içindeki tel yoğunluğu sayesinde kontrol edilir. 

Metot esas olarak son derece sınırlı esnekliği, artan ağırlığı ve son ürünün formuyla 

ilgili problemler tarafından karakterize edilen kumaşların üretimiyle 

sonuçlanmaktadır. İstenilen şekilleri oluşturmak için iletken kumaşlardan belirli 

desenleri kesmek zorunda kalınırsa örülen tellerin devamlılığı kesileceği için 

iletkenlik sabit kalamaz. Bununla birlikte bu metot sonuçta elektromanyetik koruma 

gibi özel uygulamalar için uygun iletken kumaşlar sunmaktadır. Bazı çalışmalar 

doğrudan kumaş konstrüksiyonuna müdahale edilmeksizin, liflere herhangi bir ön 

modifikasyon yapılmaksızın elektriği ileten kumaş üretilmesi yönündedir 

(Vassiliadis vd., 2004). 

Elektronik tekstillerin giyim dışında bir kullanım alanı da yakıt hücrelerindedir. 

Hücre membranının gaz difüzyon tabakasına destek malzeme olarak kullanılabilirler. 

Yakıt hücreleri kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine çeviren güç iletim 

elemanlarıdır. Genel olarak bir yakıt hücresi şöyle çalışır. Anotta hidrojen molekülü 

elektron verir ve H + şekline dönüşür. Elektronlar dış hat ile katoda doğru ilerlerken, 

bizim ihtiyacımız olan elektrik enerjisini üretirler. Hidrojen iyonları yakıt hücresinin 

tipine göre farklılık gösteren elektrolitten geçerek katoda ulaşır. Katoda geçen 

hidrojen iyonu ve havada bulunan oksijen dış hattan gelen elektronlarla birleşerek su 

oluşturur (Şengül, 2007). Yakıt hücresinin temel bileşenleri olan bu hidrojen yakıtı 

ve oksijen oksitleyicinin, iletkenliği sağlayan membrana ulaşması gaz difüzyon 

tabakaları sayesindedir. Bu nedenle gaz difüzyon tabakasında kullanılan destek 

malzemenin yapısı oldukça önemlidir. Bu destek malzemenin iletkenliği iyi



iletkenlik gösteren bir elektronik tekstil materyalinden oluşması, yakıt hücresinin 

verimini arttıracaktır. 

2.3. Yakıt Hücresi 

Yakıt hücresi, yakıt (hidrojen) ve oksitleyicinin (hava) kimyasal enerjisini doğrudan 

elektrik ve ısı formunda kullanabilen enerjiye çeviren güç üretim elemanıdır (Şenol 

vd., 2007). Yakıt hücresini, hammaddesi yakıt ve ürünü elektrik olan bir fabrika 

olarak düşünebilirsiniz. Yakıt hücresi tıpkı bir fabrika gibi, ham madde (yakıt) 

beslendiği sürece, üretimini seri olarak sürdürecektir. Bu, pil ile arasındaki temel 

farktır. Her ikisi de çalışmasını elektrokimyasal olarak sürdürürken, yakıt hücresi 

elektrik üretirken tükenmeyecektir (O’Hayre vd., 2006). 

2.3.1. Yakıt hücresinin tarihi 

Yakıt hücreleri ilk defa 19. yüzyılın sonunda geliştirilmiştir. İlk pratik yakıt hücreleri 

Apollo Uzay Programı için 1960’larda yapılmış, günümüzde hala uzay projelerinde 

yakıt hücrelerinin kullanımı devam etmektedir. 1839 yılında Sir William Grove 

seyreltik sülfürik asit çözeltisine daldırılmış iki platin elektrottan oluşmuş bir 

sistemde hidrojen ve oksijen üretmeyi başarmıştır. Grove hücresi olarak adlandırılan 

hücre, çinko sülfat içerisine çinko elektrot ve nitrik asit içerisine platin elektrot 

daldırılarak oluşturulmuştur. Bu hücre, yaklaşık 1,8 volt civarında gerilim ve 12 

amperlik akım üretmiştir. Daha sonraki yıllarda Grove, önceki çalışmasında 

kullandığı sistemden elli tanesini birleştirerek oluşturduğu bir sistemde daha fazla 

elektrik akımı üretmeyi başarmıştır (Şahin, 2007).



Şekil 2.1. 1839 Yılında Sir William Grove tarafından geliştirilen yakıt hücresi 

(Yıldızbilir, 2006). 

Yakıt hücresi terimi, ilk olarak 1889 da Ludwing Mond ve Charges Longer 

tarafından Grove’un çalışmaları tekrarlanarak ortaya konmuştur. Mond ve Longer 

oksijen kaynağı olarak havayı, hidrojen kaynağı olarak da endüstriyel kömür gazını 

kullanarak 1,5 Watt güç üreten ve %50 çalışma verimine sahip bir yakıt hücresi 

geliştirmişlerdir. 1894’de Wilhelm Oswalt, kömür türevli yakıtlar ile çalışan bir 

elektrokimyasal hücre yapmıştır. 1932’de Francis T. Bacon ilk başarılı yakıt 

hücresini geliştirmiştir. 1952’de Bacon ve arkadaşları 5 kW’lık güç üreten bir yakıt 

hücresi yapmışlardır. Aynı yılın sonlarında Harry Karl Ihring, 20 beygir gücünde bir 

yakıt hücresiyle çalışan traktör dizayn etmişlerdir. Bu buluş günümüzdeki modern 

yakıt hücresiyle çalışan makinelerin başlangıcı olmuştur (Oğuz, 2006). 

1960’lı yıllarda NASA, yakıt hücresi teknolojisine oldukça ciddi yatırımlar 

yapmıştır. Yakıt hücreleri, hafif olduklarından ve yan ürün olarak su ürettiklerinden 

dolayı uzay uygulamaları için düşünülmeye başlanmıştır. Uzay çalışmalarında yakıt 

hücrelerinin kullanılması; yüksek verim, düşük gürültü ve titreme, yüksek enerji 

yoğunluğu gibi avantajlar sağlamaktadır. İlk olarak Gemini uzay aracında General 

Elektrik tarafından üretilen proton değişim membran yakıt hücresi kullanılmıştır



(Şekil 2.1). 1970’li yıllarda General Motor “Elektrovan” adlı yakıt hücresiyle çalışan 

bir araç geliştirmiştir. 1970’li yıllarda devlet destekli yakıt hücresi araştırmaları 

başlamış ve bu amaçla Los Alamos Ulusal Laboratuarı ve Brookhaven Ulusal 

Laboratuarları kurulmuştur (Şenol, 2001) 

1974 yılında Veziroğlu ilk uluslar arası hidrojen enerji konferansını düzenlenmiştir. 

THEME (The Hydrogen Economy Miami Energy Conference) konferansında 

herhangi bir ana enerji kaynağı ile hidrojen üretimi ve fosil yakıtlar yerine 

kullanabilirliliği tartışılmış, fosil yakıtların tükenmesi ve bu yakıtların 

kullanılmasıyla oluşan çevre kirliliği ile ilgili soruların cevaplanmasına çalışılmıştır 

(Oğuz, 2006). 

2.3.2. Yakıt hücresinin çalışma prensipleri 

Yakıt hücresinde, gaz yakıtlardaki kimyasal enerji, düşük enerjili minimum hareket 

içeren ve hava kirliliğine sebep olmayan elektrokimyasal bir prensiple temel olarak 

elektrik ve ısı enerjisine dönüştürülür. Yakıt hücresi, yakıt (direkt kullanımda; 

hidrojen, dolaylı kullanımda ise; doğal gaz, LPG, metanol vb.) ve oksitleyicinin 

(hava veya oksijen) kimyasal enerjisini doğrudan elektrik ve ısı formunda enerjiye 

çeviren güç üretim cihazıdır (Çelik ve Oral, 2006). 

Yakıt hücrelerinde elektrik, hidrojen ve oksijen arasındaki elektrokimyasal bir 

reaksiyon sonucu elde edilir. Hidrojen doğalgaz, metanol, kömür gibi çeşitli 

yakıtlardan elde edilebileceği gibi doğrudan tüpten de sağlanabilir. Oksijen kaynağı 

olarak genellikle hava kullanılmaktadır. Hidrojen, havanın oksijeni ile yanarak (4.1) 

numaralı reaksiyon sonucunda su oluşturur. Suyun yanında ısı da açığa çıkar (Şenol, 

2001). 

H 2 + 1/2 O 2 H 2 O + ısı (4.1) 

Genel olarak bir yakıt hücresi şöyle çalışır. Anotta hidrojen molekülü elektron verir 

ve H + şekline dönüşür. Elektronlar dış hat ile katoda doğru ilerlerken, bizim



ihtiyacımız olan elektrik enerjisini üretirler. Hidrojen iyonları yakıt hücresinin tipine 

göre farklılık gösteren elektrolitten geçerek katoda ulaşır. Katoda geçen hidrojen 

iyonu ve havada bulunan oksijen dış hattan gelen elektronlarla birleşerek su oluşturur 

(Oğuz, 2006). 

2.3.3. Yakıt hücresinin çeşitleri 

Elektrolitlerinin farklı olmasından kaynaklanan 5 temel yakıt hücresi tipi vardır. 

1. Fosforik Asit Yakıt Hücresi ( PAFC) 

2. Katı Oksit Yakıt Hücresi (SOFC) 

3. Erimiş Karbonat Yakıt Hücresi (MCFC) 

4. Alkalin Yakıt Hücresi (AFC) 

5. Polimer Elektrolit Membran Yakıt Hücresi (PEMFC) 

Yakıt hücresinin çeşitleri Şekil 2.2’ de gösterilmiştir (Şenol vd., 2007). 

Bu beş tip yakıt hücresinin hepsi aynı elektrokimyasal prensiplere bağlı olmasına 

rağmen, her biri farklı işletme sıcaklığına sahiptir. Bu yakıt hücreleri farklı 

materyallerle birleşmişlerdir. Bu nedenle performans karakteristikleri ve yakıt 

toleransı açısından farklılıklar gösterirler. Bunlar Çizelge 2.1.’ de gösterilmiştir 

(O’Hayre, 2006).



Çizelge 2.1. Temel yakıt hücre tiplerinin tanımlanması (O’Hayre vd., 2006) 

PEMFC PAFC AFC MCFC SOFC 

Polimer Sıvı H 3 PO 4 Sıvı KOH Erimiş 

Elektrolit 

Seramik 

Membran (sbt.lenmiş) (sbt.lenmiş) Karbonat 

Yük Taşınımı H + H + OH -- CO 3 

-2 

İşletme 

sıcaklığı 

80°C 200°C 60-220°C 650°C 600- 

1000°C 

Katalizör 

Platin Platin Platin Nikel Perovskit 

(seramik) 

Karbon bazlı Karbon Karbon Paslanmaz Seramik 

Hücre 

bazlı bazlı çelik bazlı 

bileşenleri 

O -2 

Yakıt 

Uyumluluğu 

H 2 Metanol H 2 H 2 , CH 4 H 2 , CH 4 , 

CO



Şekil 2.2. Yakıt hücresi çeşitleri (Şenol vd., 2007) 

2.3.3.1. Fosforik asit yakıt hücresi (PAFC) 

Elektrolit olarak bir inorganik asit olan derişik fosforik asit(%100) kullanan, 170 o C 

ile 210 o C arası sıcaklıkta ve 1-10 bar basınç aralığında çalışan bir hücre tipidir. 

Fosforik asit yeterli termal, kimyasal ve elektrokimyasal kararlılığa ve düşük 

uçuculuğa sahip (150 o C) olan en yaygın inorganik asittir (Larminie ve Dicks, 2003). 

Basit dönüşüm sağladıkları ve düşük sıcaklıklarda çalıştıkları için en fazla gelişim 

gösteren yakıt hücreleridir. Diğer yakıt hücresi türlerine göre daha az verimlidir 

(% 37-42) ve düşük sıcaklıkta çalışmaları nedeniyle atık ısıların kullanımı sınırlıdır. 

PAFC’ lerde elektrokimyasal reaksiyonlar, yüksek oranda dağılmış elektro katalizör 

parçacıklarıyla desteklenmiş karbon siyahı üzerinde oluşmaktadır. Bu reaksiyonlar 

aşağıdaki gibidir. 

CO + O - 2 → CO 2 (g) + 2e - 

anot tepkimesi



H 2 (g) + O - 2 → H2O+ 2e - 

O 2 + 4e → 2O -2 

katot tepkimesi 

PEM yakıt hücrelerinde olduğu gibi, her iki elektrotta katalizör olarak platin (Pt) ya 

da Pt alaşımları kullanılır. 

Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücresi (PEMFC) ve Fosforik Asit Yakıt Hücresi 

(PAFC), sınırlı olan çalışma sıcaklıklarına alternatif olarak geliştirilmiş 

sistemlerdendir. Fuel Cell Inc. tarafından doğal gaz ile çalışan 1.93 MW’lık bir 

sistem üzerinde çalışmalar devam etmektedir. Sistem 4100 saat boyunca % 44’e 

yakın bir verim ile çalıştırılmıştır. Harrison Mining Corparation ise kömür ile çalışan 

250 kW’lık bir sistem üzerinde çalışmalar gerçekleştirmiştir. Bu sistemlerde 

meydana gelen sorunların temelinde termal yalıtkanlığa sahip olan malzemelerin 

yüksek sıcaklıkta bozunarak karbonlaşmaları ve yakıt pili yığınları arasında kısa 

devre oluşturmaları vardır (Gözütok, 2007). 

PAFC’lerin avantajları; 

1. Gelişmiş bir teknolojidir. 

2. Oldukça güvenlidir ve uzun dönem performansa sahiptir 

3. Elektrolit oldukça ucuzdur (O’Hayre vd., 2006). 

PAFC’lerin dezavantajları; 

1. Platin katalizör pahalıdır. 

2. CO ve S zehirlenmesine yatkındır. 

3. Elektrolit işlem sırasında yenilenmek zorunda kalınabilecek, koroziv bir sıvıdır 

(O’Hayre vd., 2006).



2.3.3.2. Katı oksit yakıt hücresi (SOFC) 

Yüksek sıcaklıkta (1000 o C) çalışırlar. Bugüne kadar ticari alanda en az gelişme 

gösteren yakıt hücresi olmasına rağmen, geleceğin en verimli yakıt hücresidir. 

SOFC’ler yüksek sıcaklıkta çalıştıklarından dolayı doğal gazın ve diğer yakıtların 

hidrojene dönüşmesi için, ayrı bir birim ve dışarıdan ısı veya buhar verilmesine gerek 

yoktur. Yüksek sıcaklıktaki hücre içerisindeki yakıt, hidrojen ve karbon monoksite 

dönüşerek elektrik oluşumu sağlanır. Verimliliği % 70 den daha fazladır. Ayrıca atık 

ısısı verimli bir şekilde değerlendirilebilir. Hücreler genellikle, seramikten ve 

1000 o C’de oksijen iyonlarının hareketli olduğu bir elektrolitten (genellikle 

yttria/çinko karışımı) oluşturulur. Hücre üretimi zor ve maliyeti oldukça yüksektir 

(Larminie ve Dicks, 2003). 

Hava elektrotunda, oksijen bir dış devre aracılığıyla sağlanan elektronlar ile 

reaksiyona girerek oksijen iyonları (O -2 ) formuna dönüşür. Negatif yüke sahip bu 

iyonlar, elektrolitten geçerek pozitif elektroda doğru hareket etmeye başlarlar. Bu 

sırada, anoda hidrojen ve karbon monoksit beslenmektedir. Anoda ulaşan oksijen 

iyonları, hidrojen ve karbon monoksit ile reaksiyon vererek su ve karbondioksit 

oluşturur ve serbest elektronlar açığa çıkar (Gözütok, 2007). 

CO + O -2 → CO 2 + 2e - 

anot tepkimesi 

H2 + O -2 → H2O + 2e - 

O 2 (g) + 4e - → 2 O -2 


Katı oksit yakıt hücresinin avantajları; 

1. Yakıt fileksibilitesi 

2. Çok pahalı olmayan metal katalizör 

3. Kojenerasyon uygulamalarında, yüksek miktarlarda atık ısı 

4. Katı elektrolit 

5. Oldukça yüksek güç yoğunluğu (O’Hayre vd., 2006).



Katı oksit yakıt hücresinin dezavantajları; 

1. Önemli derecede yüksek sıcaklık malzemelerin ihracatı 

2. Oldukça pahalı bileşenler/ fabrikasyon (O’Hayre vd., 2006). 

2.3.3.3. Erimiş karbonat yakıt hücresi (MCFC) 

Erimiş karbonat yakıt hücreleri yüksek verimlilikleri, kW başına daha düşük ilk 

yatırım maliyeti ve daha küçük tesis alanı gerektirmeleri, hızla inşaa edilebilmeleri 

ve atık gazlardan ısının geri kazanılmasına uygun çalışma sıcaklığına (680 o C) sahip 

olmaları nedeniyle, elektrik hizmetleri ihtiyacını karşılamak için oldukça uygundur. 

Güç üretim verimlilikleri % 50 civarındadır. LiKCO 3 ve LiNaCO 3 gibi karbonatlar, 

eridikleri zaman iyonik iletim gösterdiklerinden, bu tür yakıt hücrelerinde elektrolit 

olarak kullanılır. MCFC de yakıt olarak doğal gaz kullanıldığı gibi, kömür gazı gibi 

saf olmayan gazlar da kullanılabilmektedir. Yüksek sıcaklıkta çalıştıkları için, doğal 

gaz ve diğer hidrokarbon yakıtların MCFC içinde dönüşümü mümkündür. Ayrıca 

yakıt dönüşüm ünitesi gerektirmezler (Gözütok, 2007). 

. 

CO + O - 2 → CO 2 (g) + 2e - 


H 2 (g) + O - 2 → H 2 O+ 2e - 

O 2 + 4e → 2O -2 


Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücresi (PEMFC) ve Fosforik Asit Yakıt 

Hücreleri (PAFC), sınırlı olan çalışma sıcaklıklarına alternatif olarak geliştirilmiş 

sistemlerdendir 

2.3.3.4. Alkali yakıt hücresi (AFC) 

Elektrolit olarak potasyum hidroksitin (KOH) kullanıldığı alkali yakıt hücresinin 

yakıt elektrotunda, hidrojen molekülleri elektron vererek hidrojen iyonları formuna 

dönüşür. Açığa çıkan elektronlar bir dış devre ile taşınırken, potasyum hidroksit



elektrolitinden geçerek yakıt elektrotuna ulaşan hidrojen iyonları, oksijen molekülleri 

ile birleşerek suyu oluşturur. AFC’ lerin işletim sıcaklığı 80 o C civarındadır. Güç 

üretim verimlilikleri %42-73 arasındadır (O’Hayre vd., 2006). 

H 2 (g) + 2OH - → 2H 2 O + 2e - 


2H + + 2e - + 1/2O 2 → H 2 O 


Bu tip yakıt pilleri, ilk olarak uzay gemilerinde kullanılmıştır. ZETEC isimli bir 

firma tarafından ticarileştirilmeye çalışılmaktadır. Üretim ve kullanımlarında 

birtakım güçlükler bulunmaktadır. Bu güçlükler; 

1. KOH elektrolit sirkülâsyonu ve CO 2 absorpsiyonu nedeniyle hareketli 

uygulamalarda pratik değildir. 

2. Anot olarak Ni ve katot olarak Ag kullanılmakta olup, bu katalizörler ile güç 

üretimi düşüktür (Gözütok, 2007). 

Alkali yakıt hücresinin avantajları; 

1. Katot performansı yüksektir 

2. Çok pahalı olmayan metal katalizörler için potansiyeldir 

3. Malzeme maliyeti düşük, elektrolit maliyeti ise oldukça düşüktür (O’Hayre vd., 

2006) . 

Alkali yakıt hücresinin dezavantajları; 

1. Saf H 2 ve O 2 kullanılması zorunluluğu 

2. KOH elektrolitin dolguya ihtiyaç duyabilir olması 

3. Anottan suyun uzaklaştırılma zorunluluğu (O’Hayre vd., 2006).



2.3.3.5. Doğrudan metanol kullanılan yakıt hücresi (DMFC) 

Doğrudan metanol kullanılan yakıt hücresi (DMFC), PEM yakıt hücrelerinin bir 

çeşididir. Proton değiştiren membran kullanan DMFC bir ön reformlamaya ve 

PEMFC’ lerde olduğu gibi yüksek hacimde hidrojen depolama sistemine ihtiyaç 

duyulmadan, metanolün doğrudan kullanımına imkân tanıyan bir yapıya sahiptir. Bu 

hücreler düşük sıcaklıklarda çalıştırılabilir (Larminie ve Dicks, 2003). 

Metanol, anotta CO 2 ve hidrojen iyonlarına dönüştürülür. Bu aşamadan sonra 

hidrojen iyonları standart PEM yakıt hücrelerinde izledikleri yoldan oksijen ile 

reaksiyona girer. DMFC tipi yakıt hücrelerinde anot ve katotta gerçekleşen 

reaksiyonlar aşağıda verilmiştir; 

CH 3 OH (sulu) + H 2 O (sıvı) CO 2 (gaz) + 6H + (sulu) + 6e - anot tepkimesi 

3/2O 2 (gaz) + 6H + (sulu) + 6e - 3H 2 O (sıvı) katot tepkimesi 

CH 3 OH(sulu)+3/2O 2 (gaz) CO 2 (gaz) + 2H 2 O (sıvı) toplam 

Bu hücreler, PEM yakıt hücrelerinden daha yüksek bir çalışma sıcaklığına sahip 

olup, 120°C civarında çalışabilmektedirler. Verimleri ise % 40 civarındadır. 

Metanolün düşük sıcaklıkta karbondioksit ve hidrojene dönüşümü, PEM yakıt 

hücrelerinden farklı olarak, daha yüksek miktarda platin katalizörüne ihtiyaç 

duyulmasına neden olmaktadır. Platin katalizörün miktarındaki artış, fiyatta artışa 

neden olmakta ve bu özellik DMFC için önemli bir dezavantaj oluşturmaktadır. Sıvı 

yakıt kullanımına imkân sağlaması ve reformlama ünitesi olmadan çalışabilir olması 

ise önemli avantajlarıdır (O’Hayre vd., 2006). 

Nafyon gibi perflorosülfon iyonomer membranlar, günümüzde PEMFC 

uygulamalarında en çok kullanılan membrandır; fakat bu membranların geniş 

alanlardaki uygulamaları yüksek maliyet ve istenmeyen metanol geçirgenliği



nedeniyle sınırlanmaktadır. DMFC’ lerdeki proton değiştiren membranın başlıca 

fonksiyonları; proton iletken olmaları, metanol bariyeri olmaları ve anot ve katot 

arasında mekanik ayırıcı olmalarıdır (Şengül, 2007). 

Membranların DMFC uygulamalarında çok fazla metanolün, membrandan katot 

tarafına kolayca geçişi, metanol geçişi olarak bilinen bu olayla olabilmektedir. 

Örneğin Nafyon mükemmel proton iletkenliğe sahiptir; fakat DMFC de %40’ın 

üzerinde membrandan metanol geçişine izin vermektedir. Bu nedenle PEM 

üzerinden istenmeyen metanol geçişi düşürülmelidir. PEM de metanol geçişini 

düşürmek için uygun membran malzemesi seçilmeli, mikro yapı kontrolü yapılmalı 

ve gerekli çapraz bağlama yapılmalıdır. DMFC için PEM polimer matriksinin seçimi 

çok önemlidir; çünkü proton iletkenlik ve metanol geçirgenliği polimerin 

özellikleriyle yakından alakalıdır. Örneğin poli(vinil alkol) (PVA) PEM için çok 

uygun bir malzemedir; çünkü bu malzemeden hazırlanan PEM mükemmel bir 

metanol bariyerdir (Gözütok, 2007). 

2.3.3.6. Proton değişim membranlı yakıt hücresi (PEMFC) 

1950’li yıllarda General Electric tarafından bulunan PEM teknolojisi, o yıllarda ilk 

defa NASA tarafından Gemini uzay aracında güç ünitesi olarak kullanılmıştır. 

Çalışma ömrü yaklaşık 500 saattir (Larminie ve Dicks, 2003). Günümüzde PEM 

yakıt hücreleri otomotiv sektöründe içten yanmalı motorlara alternatif olarak 

geliştirilmekte ve kullanılmaktadır. Polimer elektrolit membranlı, katı polimer 

elektrolit ve polimer elektrolit yakıt pilleri olarak da adlandırılan PEM yakıt 

hücrelerinin temel yapısı Şekil 2.3’ de belirtilmektedir.



Hidrojen 

PEM 

Akış 

Tabakaları 

Anot/Katalizör 

Katot/Katalizör 

Su/Isı 

Oksijen 

Şekil 2.3. PEM Yakıt hücresi şematik görünümü (Şenol vd., 2007). 

Proton değişim membran yakıt hücreleri, özellikle yüksek performanslı polimerlerin 

bulunmasından sonra, uzay çalışmalarında ve özel askeri sistemlerde uygulanmak 

amacıyla geliştirilmiştir. Proton değişim membran yakıt hücreleri düşük çalışma 

sıcaklığında yüksek verim elde edilmesi, sessiz çalışması ve saf suyun dışında 

herhangi bir atık ortaya çıkarmamasından dolayı en çok ilgi çeken yakıt hücresi 

türüdür (Gözütok, 2007). 

Bir PEM yakıt hücresinin temel yapısı bir elektrolit membran ve membranın her iki 

yanında çiftleşmiş bir katalist tabakasına sahip bir çift gaz difüzyon elektrotunu 

ihtiva eder. Gaz difüzyon elektrotlarından biri (anot) hidrojen veya metanol 

formundaki yakıtla beslenir. Diğer gaz difüzyon elektrotu (katot) oksijen ya da hava 

formundaki bir oksidantla beslenir (Takuichi, 2004). 

Polimer elektrolit membran olarak da adlandırılan proton değişim membranlı yakıt 

hücresinde, membranın görevi anot ile katot arasında bir gaz bariyeri oluşturmak ve



anottan katoda doğru hidrojen iyonlarının taşınmasını sağlamaktır. PEM yakıt 

hücresinin temel çalışma prensibi Şekil 2.4.’ de gösterilmiştir. 

Artan 

Yakıt 

PEM YAKIT HÜCRESİ 

Elektrik Akımı 

Su ve Isı 

Çıkışı 

Yakıt 

Girişi 

Anot Elektrolit Katot 

Hava 

Girişi 

Şekil 2.4. PEM Yakıt hücresi diyagramı (Serincan, 2005). 

Proton Değişim Membran yakıt hücrelerinin en önemli elamanı proton iletim 

özelliğine sahip polimer zardır. Yakıt hücreleriyle ilgili yapılan çalışmaların başında 

polimer zarların geliştirilmesi yer almaktadır. Polimer zarların yüksek verimlilikte 

çalışabilmesi için su ile tamamen doyurulmuş olmaları gerekmektedir. Yapılan 

çalışmalarda zarın tam doygun olduğu zaman yüksek iyonik iletkenliğe ulaşıldığı 

görülmüştür. PEM yakıt pillerinde kullanılan zar yaklaşık 50 µm kalınlığındadır 

(Yıldızbilir, 2006). 

Proton Değişim Membran yakıt hücresinin avantajları; 

1.Tüm yakıt hücreleri sınıfının en yüksek güç yoğunluğuna sahip olanıdır. 

2. İyi başlama- durma kabiliyeti



3. Düşük sıcaklık işletimi onu protatif uygulamalarında uygun kılar (O’Hayre vd., 

2006). 

Proton Değişim Membran yakıt hücresinin dezavantajları; 

1. Pahalı platin katalizör kullanır. 

2. Polimer membran ve yardımcı bileşenleri pahalıdır. 

3. Aktif su yönetimi sık sık yapılmalıdır. 

4. Oldukça zayıf CO ve S toleransı vardır (O’Hayre vd., 2006). 

2.3.3.6.1. Proton değişim membranlı yakıt hücresinin çalışma prensibi 

Polimer elektrolit membranlı yakıt hücrelerinde elektrik üretimi şu şekilde sağlanır. 

H 2 gazı anot tarafından verilir ve zar üzerindeki katalizöre ulaşır. Burada katalizörle 

temas eder ve elektronunu vererek ( H + ) iyonuna dönüşür. 

H 2 2H + + 2e - Anot reaksiyonu 

H + 

iyonu sadece hidrojen iyonunu geçiren zar boyunca ilerler ve katoda ulaşır. Bu 

sırada hidrojen tarafından verilen elektron dış devreden dolaşarak bizim ihtiyaç 

duyduğumuz elektrik akımını oluşturur (Gözütok, 2007). 

Katot bölgesinden hava verilir ve hava içinde bulunan oksijen katotta bulunan aktif 

platin katalizör yüzeye ulaşır. Platin aktif yüzeyde zardan geçen hidrojen iyonu ve 

dış devreden gelen elektronlar ile birleşerek suyu oluşturur. 

½ O 2 + 2H + + 2e - H 2 O Katot reaksiyonu 

H 2 + ½ O 2 H 2 O + ısı Toplam pil reaksiyonu 

Tepkime sonunda oluşan ısı katot tarafından sistemi terk eder. Oluşan ısı ile su 

sistemden uzaklaştırılır. Oluşan su yoğunluğa bağlı olarak ısıtma amacı ile 

kullanılabileceği gibi içme suyu olarak da kullanılabilir (Gözütok, 2007).



2.4. Membranların Tanımı ve Çeşitleri 

Membranlar, seçici bir şekilde ayırmanın ve taşınımın gerçekleştirildiği engeller 

olarak tanımlanabilir. Ayırma işlemi membranın hem kimyasal hem de fiziksel 

doğasıyla belirlenmekte ve basınç farkı, derişim (kimyasal potansiyel) farkı, 

elektriksel potansiyel farkı ve sıcaklık farkının biri veya kombinasyonlarıyla 

oluşturulan itici kuvvetle gerçekleşmektedir. Ayırma işlemini gözenekli membranlar 

boyut, şekil ve yük ayrımına göre; gözeneksiz membranlar ise sorpsiyon ve difüzyon 

modeline göre kontrol ederler. Membran performansı seçicilik ve akı 

parametreleriyle belirlenir. Membran prosesleri, distilasyon gibi geleneksel ayırma 

prosesleriyle yarışabilen veya onlarla birlikte hibrid olarak kullanılabilen, genellikle 

düşük enerji gerektiren ayırma prosesleridir (Salt ve Dinçer, 2006). 

Membran tiplerini; 

1. Mikro gözenekli Membranlar 

2. Seramik, Metal ve Sıvı Membranlar 

3. Nanoteknolojiyle üretilmiş membranlar 

4. Asimetrik Membranlar 

5. İyon Değiştirici Membranlar 

6. Homojen Membranlar olarak sıralayabiliriz. 

2.4.1. Yakıt hücresinde kullanılan membranlar 

Yakıt hücrelerinde proton iletken membranlar kullanılır. Bu membranlar nafyon ve 

non-nafyon membranlardır. 

2.4.1.1. Proton iletken malzemeler 

Proton iletken malzemeler, protonların geçişine izin verip elektronları geçirmeyen ve 

özellikle membran olarak kullanılabilen malzemelerdir. Son 10 yıldır üzerinde 

oldukça fazla çalışılan bu malzemeler, yakıt hücreleri ve çeşitli elektrokimyasal 

enerji dönüşüm cihazlarında kullanımları için gelecek vaat etmektedirler. Bu



malzemeler hem inorganik hem de organik olabilirler. Uranil fosfat hidratları gibi 

inorganik proton iletken malzemeler, bir elektrot ya da bir yapı üzerine iletken bir 

tabaka olarak desteklenmesi sırasında, iletken tabaka ve yapı arasındaki iç yüzeyde 

yeterli iletkenliğe ulaşılamaması gibi birçok güçlüğü beraberinde getirmektedir 

(Takuichi, 2004). 

Diğer taraftan, organik proton iletken malzemeler, Polistiren sülfonik asit gibi 

sülfonlanmış vinil polimerler, NafionRTM ile gösterilen perfloraalkil sülfonik asit 

polimerler, Polibenzimidazol ve Polieter eter keton gibi ısıya karşı dirençli organik 

polimerler örnek olarak gösterilebilirler. 

Proton iletken bir malzeme olan proton değişim membranı(PEM), daha öncede 

bahsettiğimiz gibi anotta yükseltgenen hidrojen ve katotta indirgenen oksijenin 

beslendiği elektrokimyasal bir hücredir. İşletimleri kolay olan bu malzemeler yüksek 

enerji yoğunluğuna sahiptir ve verimleri içten yanmalı motorlara göre çok yüksek 

olup zararlı emisyonlar içermezler. Proton değişim membranı PEM yakıt 

hücrelerinin kalbidir ve genellikle Dupot’un Nafyonu PEM olarak kullanılmaktadır. 

2.4.1.1.1.Nafyon 

Nafyon 1960’ların sonunda Dr. Walter Grot at Dupont de Nemours tarafından 

bulunmuş, sülfona tetraflor etilen kopolimeridir. İyonomerler olarak adlandırılan 

iyonik özellikli sentetik polimer sınıfının ilkidir. Molekül formülü C 7 HF 13 O 5 S.C 2 F 4 

dür. Nafyonun eşsiz iyonik özellikleri, sülfonat gruplarıyla sonlanmış perflorovinil 

eter gruplarının bir tetrafloroetilen (CF 2 =CF 2 ) omurgası üzerine aşılanmasının bir 

sonucudur. Nafyon mükemmel termal ve mekanik kararlılığa sahip olması nedeniyle, 

proton değişim membran (PEM) yakıt hücrelerinde proton iletken olarak önemli 

ölçüde kullanılmaktadır (Wikipedia the Free Ansiklopeda, 2008). 

Nafyonun oluşmasında polietilen başlangıç polimeridir. Molekül yapısı Şekil 2.5.’ de 

gösterilen etilene bağlıdır. Bu basit polimer hidrojenlerle florun yer değiştirmesi ile 

modifiye edilmiştir. Bu prosese diğer birçok bilesen katılır ve perflorlama olarak



adlandırılır. Şekil 2.6.’ da gösterilmiş olan modifiye polimer politetrafloraetilen veya 

PTFE olarak adlandırılır. Ticari adı teflondur. Bu özel malzeme yakıt hücresindeki 

gelişmeler için oldukça önemlidir. Flor ve karbon arasındaki kuvvetli bağ onu 

kimyasal ataklara karşı dirençli ve dayanıklı yapmaktadır. Diğer önemli bir özelliği 

ise oldukça hidrofobik olmasıdır. Bu durum yakıt hücresi elektrotlarında oluşan 

suyun elektrot dışına atılmasında kullanılır, böylece taşma gerçekleşir (Larminie ve 

Dicks, 2003) 

H H H H H H H H H H H 

C= C │ │ │ │ │ │ │ │ │ 

H H ─ C C C C C C C C C─ 

│ │ │ │ │ │ │ │ │ 

H H H H H H H H H 

Etilen 

Polietilen (veya politen) 

Şekil 2.5. Polietilenin yapısı 

F F F F F F F F F F F 

C= C │ │ │ │ │ │ │ │ │ 

F F ─ C C C C C C C C C─ 

│ │ │ │ │ │ │ │ │ 

F F F F F F F F F 

Tetrafloraetilen 

Politetrafloraetilen (PTFE) 

Şekil 2.6. PTFE’nin yapısı 

Bu temel PTFE polimeri sülfonik asit HSO 3 ’le son bulan bir yan zincirin eklenmesi 

ile sülfonlanır. HSO 3 ’ün eklenmesi iyonik bağlanmadır ve böylece yan zincirin



- 

- 

sonunda gerçekte SO 3 iyonu bulunur. SO 3 ve H + iyonlarının varlığı, her bir 

molekülde bulunan bu + ve – iyonlar arasında oldukça kuvvetli etkileşimlerdir. 

Sülfonik asitin anahtar özelliği oldukça kuvvetli hidrofil olmasıdır. Sülfonlanmış yan 

zincir ağının çevresindeki bu hidrofilik bölgeler, yüksek miktarlarda suyun 

absorpsiyonunu, %50 oranında materyalin kuru ağırlığının artışını sağlar. Bu hidrat 

bölgelerde H + - 

iyonları SO 3 gruplarıyla oldukça zayıf etkileşirler ve hareket 

edebilirler. HSO 3 (sülfonik asit) grupları üzerindeki protonlar bir asit bölgesinden 

diğerine sıçrar. Gözenekler katyonların hareketine izin verir, fakat membranlar, 

anyonlar ya da elektronlarla temas etmezler. Nafyon, çeşitli katyonik iletkenlerle 

imal edilebilirler ( Wikipedia the Free Ansiklopeda, 2008). 

Şekil 2.7. Nafyonun kimyasal yapısı ( Wikipedia the Free Ansiklopeda, 2008). 

Nafyon membranlarının morfolojisi, özelliklerinin büyük ölçüde kontrol altına 

alınmasına izin veren sürekli bir çalışma işidir. Suyun yönetimi, yüksek sıcaklıklarda 

hidrasyon kararlılığı, elektro-osmotik mukavemeti gibi diğer özellikler, mekanik, 

termal ve oksidatif kararlılık özellikleri kadar Nafyonun yapısına bağlı olmalıdır. 

Nafyonun kimyasal yapısı Şekil 2.7’ de gösterilmiştir. 

Nafyonun ilk modeli demet kanal veye demet ağ modeli olarak adlandırılmıştır 

(Şekil 2.8). Bu model sürekli bir florokarbon kafesi içinde 40 Å (4nm) çapla 

tutturulmuş sülfonat iyon gruplarının eşit olarak dağılmasıyla oluşmuştur. Yaklaşık 

10Å (1 nm) çapındaki geniş kanatlar, grupları birbirine bağlar, bu taşınım 

özelliklerini açıklar. İleri morfolojik modeller; iyonca zengin çekirdeğin iyonca fakir



bir kabuk tarafından çevrelenmesiyle oluşan bir çekirdek kabuk modeli, sülfonik 

grupların kristal-benzeri çubuklar içine sıralanmasıyla oluşmuş bir çubuk modeli ve 

bir sandviç – modeli içerir. Bu sandviç modelde geçişin olduğu sıvı bir tabakanın bir 

ucundan diğer ucuna atak yapan sülfonik gruplara sahip polimer formunda iki tabaka 

vardır (Wikipedia the Free Ansiklopeda, 2008). 

Organik 

Şekil 2.8. (a) Nafyon Membranlarının Taşınım Olayı ve (b) Modifiye Demet Ağ 

Modelinin şematik görünümü (Cluster Network Model) (Smitha vd., 2005).



Nafyon, hem bir toz reçine hem de bir kopolimer olarak üretilebilir ve bu nedenle 

birçok IUPAC isimleri almaktadır. Kimyasal çıkarımlardan; ethansülfonil florit, 2- 

(1-(difloro-(trifloroetilen)oksi)metil] 1,2,2,2 tetrafloroetoksi] 1,1,2,2, tetrafloroetilen, 

tetrafloroetilen perfloro 3,6 dioksa 4 metil 7 oktan sülfonik asit kopolimer. 

Nafyonun molekül ağırlığı proses ve çözelti morfolojisindeki farklılıklardan dolayı 

tam olarak belli değildir. Bir nafyon biriminin yapısı, malzemenin değişkenliğini 

göstermektedir. Örneğin en temel monomer, eter grupları (z işaretli) arasındaki zincir 

değişimini içerir. Molekül ağrılığı belirlemesinde kullanılan ışık dağılımı ve jel 

geçirgenlik kromotografisi gibi konvansiyonel metotlar, nafyonun kesinlikle 

çözülemez olmasından dolayı uygun değildirler. Buna rağmen molekül ağırlığı 10 5 - 

10 6 Da arasında tahmin edilmektedir. Bunun yerine eşdeğer ağırlık ve malzeme 

kalınlığı, ticari olarak elde edilebilen pek çok membranın tanımlanmasında kullanılır. 

EW (eşdeğer ağırlık ), sülfonik asit grubunun bir molü için nafyonun ağırlığı olarak 

belirlenir. Örneğin, Nafyon117 1100g EW+ 0,007 kalınlığında gösterilir. Eşdeğer 

ağırlığın tersine konvansiyonel iyon değiştirici reçineler genellikle eşdeğer ağırlıkla 

ters orantılı olan iyon değiştirme kapasiteleriyle tanımlanırlar (Wikipedia the Free 

Ansiklopeda, 2008). 

2.4.1.2. Non-nafyon membranlar 

PEM yakıt hücrelerinin ticari boyutta yaygın olarak kullanılmalarındaki en önemli 

problem yüksek maliyetleridir. Bu yüksek maliyetinin nedeni membran sentezinde 

kullanılan karmaşık yöntemlerdir. Günümüzde yaygın olarak kullanılan Nafyon 

membran yüksek maliyeti, üretim işlemlerinin karmaşıklığı, yüksek metanol 

geçirgenliği, su kaybından dolayı 80°C’den yüksek sıcaklıklardaki zayıf performansı 

gibi dezavantajları, kendisine alternatif olabilecek non-Nafyon olarak adlandırılan 

birçok membran üzerinde çalışılmıştır. 

Fang vd. (2006), çeşitli sülfonlanmış polimit membranlarının sudaki kararlılıkları ve 

proton iletkenlikleriyle kimyasal yapıları arasındaki ilişki üzerine yaptıkları bir 

çalışmada, 6- üyeli sülfonlanmış polimitlerin(SPI), düşük sıcaklık (< 100°C) yakıt



hücreleri için umut verici birer proton değişim membranı olduklarını belirtmişlerdir. 

Bunun için bir seri yeni sülfonlanmış diaminmonomerleri sentezlemiş ve bunlara 

bağlı sülfonlanmış polimitler hazırlamışlardır. Bu membranların proton iletkenlikleri 

0,11 ile 0,3 S.cm -1 arasında değerler göstermiştir. 

Martin vd. (2003), çeşitli başlatıcı materyallerin sıvı H 2 S ile reaksiyonlarından, 

birçok protonlanmış sülfit malzemeler üretmişlerdir. Protonlanmış bu malzemelerin 

iletkenliklerini, alkali ve/veya elektronik baz iletkenlikleri referans alarak 

ölçmüşlerdir. Martin vd. (2003), 65-270°C sıcaklık aralıklarında oldukça hızlı proton 

iletkenliğe ulaşıldığını belirtmişlerdir. Başlangıçtaki proton iletkenlik değerlerinin 

10 -3 - 10 -2 S/cm olarak belirlemişler ve bu nedenle bu malzemeleri yüksek proton 

iletkenler olarak sınıflandırmışlardır (Martin vd., 2003). 

Kim (2002), proton değişim membranı olarak, sülfonlanmış florür içeren poli(arilen 

eter keton) sentezlemiş ve özelliklerini incelemiştir. Non-florin membranların çoğu 

sülfonlanmış aromatik polimerlerden yapılır. Örnek olarak, sülfonlanmış polieter 

sülfon (SPES), sülfonlanmış polietereterketon (SPEEK), sülfonlanmış 

polibezimadozeller (SPBI) ve sülfonlanmış polimitleri verebiliriz. Bu membranların 

çoğu yüksek proton iletkenliğe sahiptir. 

Kim (2002), sülfonlanmış polimer ana zinciriyle sülfonik asit grupları arasındaki kısa 

pandantif yan zincirlerinin PEM'in su afinitesini geliştirebildiklerini ve böylece 

membran iletkenliğini arttırabildiklerini belirtmiştir. Pandantif zincirlerindeki asidik 

gruplu polimerlerin, hidrolize karşı polimerlerin gövdesinde direkt bağlı olan asidik 

gruplarından daha çok kararlılık gösterdiğini de raporlamıştır. 

Kim (2002), florin içeren bir poli(eter eter keton) sentezlemiş, kloro sülfonik asitle, 

farklı sülfonasyon derecelerinde sülfonlamış ve daha sonra sağlam transparent 

membranlar elde etmiştir. Elde edilen membranın su tutma kapasitesi ve şişme oranı 

sülfonlanma derecesinin artışıyla yükselmiş, mekanik özellikler azalmıştır (Kim, 

2002).



Takuichi (2004), (Susono-shi, JP) Birleşik Milletler Patent çalışmasında yüksek 

proton iletkenlik, yüksek kuvvet, fleksibilite ve suyla şişmiş halde yüksek boyutsal 

stabiliteye sahip proton iletken malzeme ve proton iletken membran elde edilmiştir. 

Bu proton iletken malzeme ve proton iletken membran sütünlandırılmış kil 

mineralinin birim gövdesinin çapraz bağlanmasıyla oluşmuştur. İçerisinde çok 

değerlikli bir metal iyonu, tabakalı kil mineralinin tabakaları arasında 

birleştirilmiştir. Bu çalışmada elde edilen proton iletken materyal membranı yüksek 

proton iletkenliğine sahiptir ve yakıt hücresinde kullanılmaya uygundur. Yapılan bu 

çalışmaya göre yüksek proton iletkenlik, yüksek kuvvet, fleksibilite(deformasyona 

karşı dayanımı), su ile absorbe haldeyken yüksek boyutsal kararlılığa sahip proton 

iletken materyal ve proton iletken membran üretilmiştir ve proton iletken membran 

bazlı konvansiyonel perflorakarbon sülfonik asit yerine kullanılabilir. Ek olarak, bu 

çalışmada elde edilen proton iletken materyal, proton iletken membranın hepsi 

kirletmeyen materyallerden üretilmektedir. Bu nedenle çevre problemleri açısından 

da üstün bir teknolojidir (Takuichi, 2004). 

Trietilenamin ve benzoik asit varlığında, 4,4"-binaftil-1,1",8,8"-tetrakarboksillik 

dianhidrit(BNTDA), 4,4"diaminofenileter 2,2 disülfonikasit(ODADS) ve 

4,4"diamino-difnileter(ODA) den metanol içinde, sülfonlanmış polimitlerin (SPIs) 

bir serisi sentezlenmiştir. Elde edilen polimitler, 1,4,5,8 naftalin-tetrakarboksillik 

dianhidrit(NTDA) ve ODADS den sentezlenmiş sülfonlanmış polimitlere göre daha 

iyi direnç göstermişlerdir ki bu BNTDA’nın karbonil-karbon atomları içinde oldukça 

yüksek elektron yoğunluğuna katkıda bulunmuştur. Kopolimitler S-75 ve S-50, 

100°C su içinde 800 saat bekletildikten sonra mekanik özelliklerini ve proton 

iletkenliklerini korumuşlardır. Bu SPI’ ların proton iletkenlikleri %100 relatif nemde 

ve 20°C de 0,025-0,3564 S/cm arasında gelmiştir ve 80°C de %100 relatif nemde 

0,1149-0,9470 S/cm’ e kadar artmıştır. Bu SPI’ ların metanol geçirgenlik değerleri 

0,99-2,36x10-7 cm 2 /s oranındadır ki bu değer Nafyon117 (2x10 -6 )’ninkinden oldukça 

düşüktür (Jingling vd., 2007). 

Gözütok (2007), yüksek lisans tezinde, Proton Değişim Membran Yakıt Hücreleri 

için PVA (polivinil alkol ) bazlı kompozit polimerik membran geliştirmiştir. Çift



fonksiyonlu özelliğinden dolayı PVA yapı içinde çapraz bağlama ve proton iletken 

sülfon grupları barındıran sülfosüksinikasit (SSA) kullanmıştır. Ayrıca proton 

iletkenlik üzerine Ludox-AS koloidal silika partiküllerinin ilavesinin etkisini 

incelemiştir. Proton iletken ajan oranı ve Ludox katkı oranı değiştirilerek elde edilen 

membranlar FT-IR spektroskopisinde incelenmiştir. Gözütok (2007), membranların 

IEC değerlerinin Nafyon117’ ninkinden büyük olduğunu belirtmiştir. IEC değeri 

SSA değeri attıkça taşıyıcı grupların artması nedeniyle artış göstermiştir. Ludox 

miktarının artmasıyla tersine IEC değerlerinde düşüş görülmüştür. Membranların su 

tutma kapasiteleri içerdikleri SSA miktarıyla değişmiştir. SSA’ nın belli bir oranına 

kadar su tutma kapasitesi düşmüş bu oranın üstünde su tutma miktarı tekrar artış 

göstermiştir. Membrandaki Ludox miktarı arttıkça su tutma kapasitesi düşme eğilimi 

göstermiştir. Membranlar şişme göstermeden Nafyon117 (%34)’ den daha yüksek su 

tutma yüzdesine ulaşabilmiştir. PEMFC’ lerde atık olarak su oluştuğundan ve bu su 

membranla temas halde olduğundan, membranların su ile şişme göstermesi 

istenmeyen bir durumdur. Bu açıdan elde edilen membranlar PEMFC’ ler için uygun 

membran-elektrot kombinasyonu oluşturmada kullanılabilir. Ludox katkısı iletkenliği 

arttırmıştır. Membranların proton iletkenlikleri SSA miktarı ve sıcaklıkla değişim 

göstermiştir. Çapraz bağlı membranların iletkenlikleri sıcaklıkla artmıştır. 

Membranların SSA içeriği arttıkça sıcaklıkla gösterdiği iletkenlik artışı daha fazla 

olmuştur (Gözütok, 2007). 

Polotsky vd. (2006), ilk kez azollerle modifiye edilmiş PAA’ in katalitik 

imidizasyonu ile iyi ultrafiltrasyon membranlar elde etmişlerdir. Heterosiklik 

azoların burada, iki rolü vardır. PAA’ nın hidrofilikliğinin azaltılmasının sağlanması 

ve imidizasyon işleminin katı faz katalizörü olmasıdır. Membranların 

gözenekliliklerindeki artış, gözenek oluşturma ajanı olarak gliserol ilavesi ile 

sağlanmıştır. Çözülür polimitlerden elde edilen ultra filtrelere zıt olarak bu çalışmada 

önerilen membranlar yüksek termal ve kimyasal dayanım göstermektedir. Önerilen 

ultra filtreler amit çözücü içinde bile çözülmemektedirler (Polotsky vd., 2006). 

Simitha vd. (2005), Polistiren(PS), Polikarbonat(PC), Polisülfon(PSf) ve 

poli(fenilenoksit) (PPO) gibi, aril iskeletine sahip ticari polimerlerin, uygun reaktifler



kullanılarak sülfonlanması ve potansiyellerinin yakıt hücrelerinde proton değişim 

membranı olarak kullanılabilirliği üzerine yaptığı çalışmada sülfonlanlanmış 

polikarbonat (SPC)’ ın PEM için gerekli tüm özelliklere sahip olduğunu belirtmiştir. 

Bu yeni membranın, proton iletkenliğin bir ölçüsü olan iyon değişim kapasitesi 

(IEC), ve sülfonasyon derecesi elde edilmiş ve ticari olarak kullanılan nafyon 

membranlar ile karşılaştırılması yapılmıştır. PEM için gerekli olan yüksek IEC (0.57 

meq./g), Gerilme kuvveti (157N/mm 2 ) termal kararlılık (Tg 120°C) yanında 

metanole olan düşük eğilim gibi (%sorpsiyon 2,97) tüm özellikler elde edilmiştir. Bu 

çalışma ucuz ve dayanıklı membranların üretilmesinin mümkün olabildiğini 

göstermektedir (Simitha vd., 2005). 

Şahin (2007), yaptığı çalışmada Nafyon içerikli membrana göre daha iyi fiziksel ve 

kimyasal özelliklere sahip, hem organik hem de inorganik yapıyı bir arada 

bulunduran kompozit membran sentezi gerçekleştirmiştir. Polistiren, polivinil alkol 

bazlı ve farklı katkılar kullanılarak, Amberlizit, HZSM5 Si/Al:50, HZSM5 

Si/Al:500, borik asit, boron fosfat ve Ludox) organik inorganik kompozit 

membranlar sentezlenmiştir. Sentezlenen membranlardan PVA+H 3 PO 4 ve 

PVA+H2SO4 bazlı membranlar diğerlerine göre daha iyi özellikler göstermiştir 

(Şahin, 2007). 

Polimer Asit Karışımları, Polietilenimin (PEI), poliakrilamit (PAAM), polisilamin 

(PSA), poli(4-vinilpridin) (P4VP) ve Polibenzimidazol (PBI) gibi basit polimerlerin 

fosforik asit (H 3 PO 4 ) ve sülfürik asit (H 2 SO 4 ) gibi kuvvetli asitlerle karışımları, hem 

hidrat hem de dehidrat hallerde yüksek iletkenlik göstermektedirler. Bu karışımlar 

ucuzdur ve yakıt hücreleri için ince film olarak işlenebilmektedirler. Polimer asit 

membranlar, polimer asit çözeltisinden döküm yoluyla bir film oluşturabilmektedir 

veya bir asit çözeltisi içine damlatılarak bir polimer film oluşturulabilir. Jeller, sıvı 

asit çözeltileri bir polimer matrise aşılanarak oluşturulur. Polimerlerin ve asitlerin 

susuz karışımları, çalışma sıcaklığını suyun kondenzasyonu altında tutma 

sınırlamasını ortadan kaldırır. H 2 AO 4 ve H 3 PO 4 ile PAAM karışımındaki proton 

iletkenlikler 100°C de ~10 -2 S.cm -1 olarak gösterilmiştir. Bununla birlikte, bu 

karışımların mekanik ve kimyasal kararlılıkları zayıf ve genellikle nemlendirme



sonrası indirgeme görülmektedir.100°C üzerinde yakıt hücresi uygulamaları için 

aranan bir membran H 3 PO 4 ile karıştırılmış PBI’ dir. 130°C’ de 10 -2 S.cm -1 den 

büyük iletkenlik gösterir (Libby, 2001). 

2.5. Tekstil Materyallerinin PEM Yakıt Hücresinde Kullanılması 

Bir PEM yakıt hücresinin temel yapısının bir elektrolit membran ve membranın her 

iki yanında çiftleşmiş bir katalist tabakasına sahip bir çift gaz difüzyon elektrotundan 

oluşur. Gaz difüzyon elektrotlarından biri (anot) hidrojen veya metanol formundaki 

yakıtla beslenir. Diğer gaz difüzyon elektrotu (katot) oksijen ya da hava formundaki 

bir oksidantla beslenir. Yakıt hücresinin daha az enerji harcayarak daha fazla 

verimde çalışması için önemli parametrelerden biri de, yakıt hücresinin gaz difüzyon 

tabakasından geçen gazın düzgün ve daha verimli miktarda iletilmesini sağlamaktır. 

Gaz difüzyon tabakasının bir diğer görevi de PEM yakıt hücresinde reaksiyon sonucu 

oluşan fazla suyun membrandan rahat bir şekilde uzaklaştırılmasını sağlamaktır 

(Şenol, 2001). 

Yakıt hücresindeki kayıplardan biri de konsantrasyon polarizasyonudur. 

Konsantrasyon polarizasyonu elektrot yüzeyinde elektrokimyasal reaksiyonlar 

sonucu tükenen reaktantlar ve yeni gelecek olan reaktantların yeterince hızlı 

iletilememesi sonucu görünen kayıplardır. Konsantrasyon polarizasyonuna sebep 

olan birçok etken vardır. Bunlar arasında, elektrot gözeneklerindeki yavaş gaz 

difüzyonu, çözelti ve elektrot yüzeyi arasındaki düşük madde transfer hızı veya 

reaktant ve ürünlerin membran bölgesindeki düşük difüzyon hızları gösterilebilir. Bu 

nedenle gazların difüzyonunun ve madde iletiminin istenilen şekilde sağlanabilmesi 

için birçok gaz difüzyon tabakası (GDL) üretimi üzerinde durulmuştur. Burada gaz 

difüzyon tabakası üretilirken önemli bir parametre de destek malzemesinin tipidir. 

Destek malzeme olarak genellikle karbon kağıt veya dokusuz ya da dokuma kumaş 

kullanılmaktadır. Adanur vd. (2006), çalışmalarında lamine edilmiş ve kaplanmış 

kumaşları, bir PEM yakıt hücresinde destek malzemesi olarak kullanmışlardır. Bu 

kumaşlar membranın hem kalınlığına hem de difüzyonuna etki etmektedir.



Bir yakıt hücresinde gerilim düşüşünün bir diğer nedeni kütle transfer kayıplarıdır. 

Reaktant ve ürün konsantrasyonlarının sebep olduğu kütle transfer kayıpları, yakıt 

hücresinde performansı önemli miktarda düşüren bir iç direnç gibi rol oynar. Yakıt 

hücresinin elektrot tabaka performansı, gaz difüzyon tabakası (GDL) ile beslenen 

reaktant yayılımından etkilenir. Sonuç olarak, kütle transfer kayıpları gaz difüzyon 

tabaka kalınlığının indirgenmesi ve yüksek bir yüzey alanı sağlayarak elektrot 

yapısının optimizasyonuyla azaltılabilmektedir. 

2.6. PEM Yakıt Hücresinde Enerji ve Ekserji Analizi 

Enerji kısaca iş yapabilme yeteneğidir. Yapılan, üretilen, değiştirilen her şeyde ve 

her türlü eylemin, hareketin oluşumunda enerji vardır. Skaler bir büyüklüktür. 

Enerjinin birçok biçimi vardır. Bunlar potansiyel, kinetik, ısı, ışık, elektrik, kimyasal, 

ışık ve ses enerjisidir. Enerji bu biçimler arasında değişime uğrayabilir. 

Özellikle 1970’li yıllardan sonra, enerjinin verimli kullanımı üzerindeki çalışmalar 

yoğunlaşmış, çeşitli enerji dönüşümlerini içeren süreçlerde verimliliğin 

arttırılmasının yanı sıra, aynı amaçlara yönelik yeni süreçlerin değerlendirilmesi ve 

mevcut süreçler ile karşılaştırılması da önem kazanmıştır. 1940’larda ilk kez Keenan 

tarafından ortaya atılan kullanılabilirlik kavramı da değişik enerji kaynakları 

kullanarak, değişik ürünler üreten süreçlerin, enerjinin verimli kullanılması açısından 

değerlendirilmesi ve karşılaştırılabilmesi için oldukça sık kullanılmaya başlamıştır. 

Kullanılabilirlik kavramına eşdeğer olan ve Rant tarafından ortaya atılan ekserji 

kavramı ise günümüzde daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Ekserji analizi, değişik 

süreçlerin ortak bir temele dayandırılarak tutarlı bir şekilde değerlendirilmesine 

olanak sağladığı gibi, her süreçteki en verimsiz aşamaları ve bunların nedenlerini de 

ortaya çıkarmaktadır (Arıkol, 1985). 

Yakıt hücreleri, kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren ve 

hidrojeni yakıt olarak kullanan enerji dönüşüm teknolojilerinden biridir. Yakıt 

hücreleri, yakıt olarak kullanılan hidrojen ile oksijenin elektro-kimyasal reaksiyonu



sonucunda enerji üretirler. Bir yakıt hücresinin performansının belirlenmesinde, 

enerji ve ekserji verimlerinin analiz edilmesi oldukça önemlidir. 

2.6.1. PEM yakıt hücresinde verim 

Sistemin verimliliği, sistemden alınan enerji miktarının, sisteme verilen enerji 

miktarına oranıdır. Verimlilik, termodinamik(ideal) ve gerçek olarak 

hesaplanmaktadır. Termodinamik(ideal) verimlilik(ƞ T ) ısıl yani ısıveren yapıdadır. 

Isı tekniğinde ideal termik dönüşüm faktörü reaksiyonun yarattığı maksimum işin 

entalpiye oranı ile gösterilir (Şenol, 2001). 

Yakıt hücresinin ideal performansı, farklı yakıtlarla oksijenin arasındaki 

elektrokimyasal reaksiyonlara bağlıdır. Bu reaksiyonlar Çizelge 2.2’ de gösterilmiştir 

(EG&G Servis, 2000). 

Çizelge 2.2. Yakıt hücrelerinde gerçekleşen elektro kimyasal tepkimeler 

(O’Hayre vd., 2006). 

Yakıt Hücresi Anot Reaksiyonu Katot Reaksiyonu 

PEM Yakıt Hücresi H 2 → 2H + + 2e - ½ O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O 

Fosforik Asit Yakıt Hücresi H 2 → 2H + + 2e - ½ O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O 

Alkalin Yakıt Hücresi H 2 + 2(OH - )→2 H 2 O+2e - ½ O 2 + H 2 O+ 2e - →2(OH - ) 

Erimiş Karbonat Yakıt 

Hücresi 

Katı Oksit Yakıt Hücresi 

H 2 +CO = 3 →H 2 O+CO 2 +2e - 

½O 2 +CO 2 +2e - = 

→ CO 3 

CO+CO = 3 → CO 2 +2e - 

H 2 + O = → H 2 O+2e - 

CO + O = → CO 2 +2e - ½ O 2 + 2e - →O = 

CH 4 + 4O = → 2H 2 O+ CO 2 +8e - 

Bir yakıt hücresinde verim, kullanılabilecek enerjinin maksimum enerjiye oranıdır. 

Yakıt hücresinde kullanılabilecek enerji Gibbs serbest enerjisindeki değişimdir. Aynı 

şekilde eğer tersinmez bir işlem olsaydı, elde edilebilecek maksimum enerji toplam 

entalpiye (∆H) eşit olacağından verim eşitlik (2.1) ile ifade edilebilir (Şenol, 2001).



∆G 

ƞ = 

∆H 

(2.1) 

PEM yakıt hücresinde toplam reaksiyon aşağıdaki gibidir. 

H 2 + ½ O 2 → H 2 O 

Verilen bu reaksiyona göre, reaksiyonun toplam entalpi değişimi ve serbest enerji 

değişimi (2.2) ve (2.3) no.lu eşitliklerle ifade edilir. 

∆G°= G° H2O(sıvı) ─ G° H2 ─ ½ G° O2 (2.2) 

∆H° = H° H2O(sıvı) ─ H° H2 ─ ½ H° O2 (2.3) 

Burada oluşan su sıvı formundadır. Standart şartlarda, 25°C (298 K) sıcaklık ve 1 

atm. basınçta, hidrojen/oksijen reaksiyonunun toplam entalpisi eşitlik (2.2) ve 

standart Gibbs serbest enerjisi eşitlik (2.3) kullanılarak hesaplanır. 

∆G°= G° H2O(sıvı) ─ G° H2 ─ ½ G° O2 

∆G°= - 306,69 + 38,96 + (1/2)*61,12 

∆G°= - 237,17 kj/mol 

∆H° = H° H2O(sıvı) ─ H° H2 ─ ½ H° O2 

∆H° = -285,83 kj/mol 

Buna göre ideal verim; 

ƞ i = 

∆ G − 237,17 = 

∆H 

− 285, 83 

ƞ i = 0,83 

olarak elde edilir.



Yakıt hücrelerinde gerçek verim, ölçülen hücre geriliminin ideal ve hücre gerilimine 

oranı olarak açıklanabilir. Gerçek hürce gerilimi, ideal hücre geriliminden düşüktür. 

Bunun nedeni, hücre polarizasyonları ve IR kayıplarıdır. Gerçek hücre gerilimi 

olarak yakıt hücresinin termal verimliliği aşağıdaki denklemlerle ifade edilebilir. 

ƞ g = 

kull. 

enerji 

∆H 

= 

kull. 

güç 

( ∆G 

/ 0,83) 

(2.4) 

ƞ g = 

Vg × I 

= 

Vi × I / 0,83 

(0,83) ×Vg 

Vi 

(2.5) 

2.6.2. PEM yakıt hücresinde toplam hücre gerilimi 

Yakıt hücrelerinde normal şartlarda teorik olarak elde edilmesi gereken voltaj, 1,229 

V’ tur. Fakat hücredeki tersine çevrilemez kayıplar nedeniyle voltaj devamlı 

düşmektedir (Şekil 6.1). Bu kayıplar polarizasyon olarak adlandırılmaktadır. 

Polarizasyonlara sebep olan üç eten vardır (EG&G Services, 2000).



Şekil 2.9. Polarizasyon eğrisi (Şahin, 2007). 

Aktivasyon polarizasyonu: 

Aktivasyon polarizasyonu doğrudan elektrokimyasal reaksiyonların hızlarıyla 

orantılıdır. Hem elektrokimyasal hem de kimyasal reaksiyonlarda ortak olarak 

gözlenen ve moleküllerin aşması gereken bir aktivasyon bariyeri vardır. Aktivasyon 

polarizasyonu, Tafel denkleminden hesaplanabilir (Larminie ve Dicks, 2003). 

Direnç polarizasyonu: 

Direnç polarizasyonu, iyonların elektrolitten ve elektronların elektrot maddesinden 

geçişi sırasında oluşan dirençlerden kaynaklanmaktadır. Direnç polarizasyonu, 

membranın iyon iletkenliği arttırılarak düşürülebilir (Larminie ve Dicks, 2003).



Konsantrasyon polarizasyonu: 

Konsantrasyon polarizasyonu elektrot yüzeyinde elektrokimyasal reaksiyonlar 

sonucu tükenen reaktantlar ve yeni gelecek olan reaktantların yeterince hızlı 

iletilememesi sonucu görünen kayıplardır. Konsantrasyon polarizasyonuna sebep 

olan birçok etken vardır. Bunlar arasında, elektrot gözeneklerindeki yavaş gaz 

difüzyonu, çözelti ve elektrot yüzeyi arasındaki düşük madde transfer hızı veya 

reaktant ve ürünlerin membran bölgesindeki düşük difüzyon hızları gösterilebilir 

(Larminie ve Dicks, 2003). 

2.6.2.1. PEM yakıt hücresinin net çıkış geriliminin hesaplanması 

Sabit sıcaklık ve basınçta çalışan bir yakıt hücresi için elde edilebilir maksimum 

elektrik işi (Wel), elektrokimyasal reaksiyonun Gibbs serbest enerjisindeki değişimle 

verilebilir (EG&G Services, 2000). 

Wel = ∆G = - n.F.E (2.6) 

Burada n; reaksiyona katılan elektronların sayısı, F; Faraday sabiti (96487 

coulombs/g.mole elektron) ve E; hücrenin ideal potansiyelidir. Eğer sistem standart 

şartlarda kabul edilirse eşitlik (2.6) eşitlik (2.7)’ ye dönüşecektir. 

∆G° = - n.F.E o (2.7) 

Polimer elektrolit membran yakıt hücrelerinde elde edilebilecek maksimum 

potansiyel, o koşullardaki hidrojenin toplam entalpi değişimi kadardır; fakat 

tersinmez entropi değişimleri sebebiyle, toplam entalpi değişiminin sadece Gibbs 

serbest enerji değişimi kısmı elektriğe çevrilebilir. Bunu eşitlik (2.8) ile şu şekilde 

ifade edilebilir. 

∆G =∆H – T.∆S (2.8)



Burada ∆G ve ∆H arasındaki fark entropideki değişimle doğru orantılıdır. Hücrenin 

standart şartlardaki ideal performansı eşitlik (6.7) kullanılarak hesaplanır (EG&G 

Services, 2000). 

∆G° = - n.F.E o 

-237,17= - 2×96,487×E o 

E o = 1,229 V 

Yakıt hücresinin performansı, hücre voltajı olarak belirtilen Nernst potansiyeli ile 

tanımlanır. 

Genel hücre reaksiyonu; 

aA+bB → cC + dD 

( C) 

c 

.( D) 

d 

∆G = ∆G° + RT ln 

( A) 

a 

.( B) 

b 

(2.9) 

Eşitlik (2.6) ve (2.7) eşitlik (2.9)’ da yerine konulursa eşitlik (2.10) elde edilir. 

( C) 

c 

.( D) 

d 

E= E° + RT ln 

( A) 

a 

.( B) 

b 

(2.10) 

PEM yakıt hücresinin tersinir gerilimi reaktant ve ürünler arasındaki enerji 

denkliğinden ve Faraday sabitinden hesaplanabilir. 

Hidrojen- oksijen yakıt hücresi için Nernst eşitliği eşitlik (2.11)’ de verilmiştir. 

E rev = E° rev - 

RT 

2F 

aH 

2O 

ln 1/ 

2 

a .a 

H 

2 

O 

2 

(2.11) 

İdeal gazlar için aktiviteler kısmi basınçlarla yer değiştirilebilir.



Pi 

a = 

o 

P 

(2.12) 

a = 

PH 

2 O 

o , a = 

H 

o 

P P 

P 2 

, a = 

PO 

2 

o 

P 

Hidrojen ve oksijenin kısmi basınçları, aşağıdaki eşitlikle hesaplanabilir; 

P 

H 2 

= 

x 

H 2 

P 

A 

P O2 = x O2 P C 

Hidrojen ve oksijenin mol kesirleri aşağıdaki gibi hesaplanır; 

x 

H 2 

= 

1+ 

( x 

A 

1 − xH 

2O, 

A 

/ 2)(1 

+ ζ /( ζ −1)) 

A 

A 

1 − xH 

2O, 

C 

xO 

= 

2 1+ 

( x / 2)(1 + ζ /( ζ − 1)) 

C 

C 

C 

Burada 

x 

H 2 

ve 

x 

O 2 

sırasıyla hidrojen ve oksijenin mol kesirleri P 

A 

ve Pc sırasıyla 

atmosfer cinsinden anot ve katot basınçlarıdır. 

xH 

2 O 

anot ve katottaki suyun mol 

kesridir. 

x 

A 

ve 

x 

C 

anot ve katot kuru gaz mol fraksiyonlarıdır. 

ξ 

A 

ve 

ξ 

C 

sırasıyla 

anot ve katot stokiometreleridir (Rowe ve Lee, 2001). 

Suyun anot ve katottaki mol kesirleri, belli yakıt hücresi sıcaklığında doygun basınç 

oranlarıyla şu şekilde ifade edilebilir. 

x H2 O,A 

= P sat 

P A 

x H2 O,C 

= P sat 

P C



Suyun hücre işletme sıcaklığının bir fonksiyonu olarak suyun doygun basıncı şu 

şekilde ifade edilebilir (Midilli vd.,2006). 

log 10 P sat = ?2.1794 +0.02953 T ?9.1837 10 ?5 T 2 +1.4454 10 ?7 T 3 

Buradaki T sıcaklığı °C cinsinden hücre sıcaklığıdır. 

Suyun sıvı haldeki aktivasyon enerjisi genellikle 1 alınır. Öyleyse (2.11) nolu 

eşitliğimiz (2.13) nolu eşitliğe dönüşür. 

E rev = E° rev - 

RT 

F 

ln 

1 

2. 

2 P P 

2 

H 

O 

(2.13) 

Burada E° rev, birim aktivitedeki bir referans gerilimi gösterir ve kısmi basınç 

koşulları hidrojen ve oksijenin konsantrasyon değerlerine bağlıdır. Standart 

koşullarda referans gerilim E standart referans gerilimidir ve E° rev sıcaklığa göre 

standart referans gerilimden sapacaktır. 

E° rev = E o + 

∆ 

2F 

S o 

(T-T o ) (2.14) 

Sıcaklığın, serbest enerji değişimi ve denge potansiyeli üzerine etkisi aşağıdaki 

eşitlikle verilmiştir (Berning vd., 1997). 

E rev,T = - 

∆G o 

nF 

- 

∆ 

2F 

S o 

(T- T o ) - 

RT 

2F 

a 

ln 

a 

H 2O 

1/ 2 

H 2. 

aO2 

(2.15) 

Burada T ve T 

, sırasıyla hücre sıcaklığı ve standart haldeki sıcaklıktır. 

E rev,T = E o - 

∆ 

2F 

S o 

(T- T o )- 

RT 

2F 

1 

ln 

P . H 

P 

2 O 

1/ 2 

2 

(2.16)



o 

∆ S = 

S 2 

- ( S 2 

+1/2 S 2 

) 

o 

H O 

o 

H 

o 

∆ S = 69,95 – (130,68 + 205/2) 

∆ S 

o 

= - 163,23 j/mol.K 

o H 

Eşitlik (2.16) kullanılarak; 

E rev,T = 1,229 – 

E rev,T = 1,3 V 

( −163,23) 

(353,15- 298,15) - 

2× 

96487 

8,314× 

353,15 1 

ln( ) 

1/ 2 

2× 

96487 3× 

5 

bulunur. 

Yakıt hücresinin gerilimi akım artışıyla azalır. Bir PEM yakıt hücresi genellikle 70- 

80°C civarında bir sıcaklık, 3-5 atm reaktant kısmi basıncında ve %100 bir zar 

nemliliğinde en iyi performansı gösterir. Hücre gerilimi (V cell ); herhangi bir durumda 

eşitlik (2.17) kullanılarak bulunabilir. Bir hücre yüke güç verdiği zaman tersinir 

gerilim (E rev ), gerilim düşümü olarak adlandırılan aktivasyon (V act ), omik (V ohm ) ve 

konsantrasyon (V conc ) aşırı gerilimleri tarafından azaltılır (Ural vd., 2007). 

V 

cell 

= E −V 

−V 

−V 

(2.17) 

rev 

act 

ohm 

conc 

Aktivasyon düşümü Tafel denklemi tarafından analiz edilebilir (Ural vd., 2007). 

E act = - 0,9514 + 0,00312 T – 0,000187 T ( (ln(i)) 

+ 7,4×10 –5 T. ( (ln( C )) 

O 2 

Burada i akım yoğunluğu, C 

O 2 

oksijen konsantrasyonudur. Denklem (6.18) de 

C 

O 2 

yığın sıcaklığının veri fonksiyonu olarak verilmiştir. 

C 

O2 

PO 

2 

= mol.cm -3 (2.18) 

6 

5,08.10 exp( −498/ 

T )



Taffel eşitliği anot ve katottaki aktivasyon aşırı gerilimlerini belirlemek için 

kullanılır; çünkü değişim akım yoğunluk değerleri oldukça düşüktür. Ayrıca çoğu 

makalelerde anot ve katottaki aktivasyon gerilimi bu eşitlikle hesaplanmıştır. 

Aktivasyon aşırı gerilimi, anot ve katottaki elektron hareketleri ve kimyasal bağların 

oluşumu ve bozulmasından kaynaklanır. 

Aktivasyon aşırı gerilimi eşitlik (2.17) de bir gerilim düşümü olarak görülür ve E act 

değeri tüm dizinin her yerinde negatiftir. Bu negatiflikten kaçınmak için eşitlik (2.19) 

kullanılır. 

V 

= − 

(2.19) 

act 

E act 

Ortalama akım yoğunluğunda gerilim düşümü hemen hemen lineerdir ve doğal 

durumda omiktir. R ohm hücre direncidir ve membran kalınlığının (t m ) iletkenliğe 

( σ 

m 

) bölümüyle bulunur. 

V = i × 

(2.20) 

ohm 

R ohm 

R 

ohm 

t 

m 

= kΩ .cm 2 (2.21) 

σ 

mem 

Membran iletkenliği, membranın su içeriği ( λ 

mem 

) ve hücre sıcaklığının (T) bir 

fonksiyonudur (Midilli vd., 2006). 

a mem = 0.005139V mem ?0.00326 exp 1268 1 

303 

? 1 T (2.22) 

Zawodzinski vd. (1992) , membran su içeriğini membran su aktivitesi a cinsinden 

aşağıdaki eşitliklerle tanımlamıştır.



V mem = 0.043 +17.81a ?39.85a2 +39.85a 3 , 0



i 

n& H reacted 

= 2 n& 

O reacted 

= n& 

2 ,, 

2, 

H 2O, 

pro 

= 

(2.25) 

2F 

Burada 

& , & 

O reacted 

sırasıyla hidrojen ve oksijenin yanma oranlarıdır ve 

n 

H 2 , 

reacted 

n 

2, , 

& üretilen su oranıdır. 

n 

H 2O, 

pro 

& = & + & 

(2.26) 

n 

H in 

nH 

reacted 

n 

2, 

2, 

H 2 , out 

& = & + & 

(2.27) 

n 

O in 

nO 

reacted 

n 

2, 

2, 

O2 

, out 

Burada 

& ve & 

O in 

sırasıyla hidrojen ve oksijenin PEM yakıt hücresine giren 

n 

H 2, 

in 

n 

2 , 

molar akış oranlarıdır. 

& ve n & 

O , out 

ise hidrojen ve oksijenin PEM yakıt 

n 

H 2 , out 

2 

hücresinden çıkan molar akış oranlarıdır. Hidrojen ve oksijenin kullanım oranı 

sırasıyla %80 ve %50 olarak kabul edilmiştir (Midilli vd., 2006). 

PEM yakıt hücresinin enerji verimi aşağıdaki eşitlikten hesaplanabilir; 

W& 

FC 

η 

Enerji 

= 

(2.28) 

( n& 

H 

+ n& 

H 

) × HHVH 

2, reacted 

2, out 

2 

Yukarıdaki eşitlikte 

HHV 

H 2 

(=286000J/mol), hidrojenin üst ısıl değeridir. 

2.6.3. PEM yakıt hücresinde ekserji analizi 

Herhangi bir madde için akışın toplam spesifik ekserjisi, fiziksel ekserji, kinetik 

ekserji, potansiyel ekserji ve kimyasal ekserjiden oluşur (Moran ve Tsatsaronis, 

2000). 

P*= P* PH +P* KN +P* PT +P* CH (2.29) 

PEM yakıt hücresinde potansiyel ve kinetik ekserjiler ihmal edilir. Bu durumda her



bir kimyasal bileşeni PEM yakıt hücresi işlevi boyunca her bir kimyasal komponent 

için toplam spesifik ekserji fiziksel ve kimyasal ekserjilerden oluşur. Öyleyse yeni 

denklemimiz eşitlik (2.30)’ a dönüşür. 

P*= P* PH +P* CH (2.30) 

2.6.3.1. Kimyasal ekserji 

Kimyasal ekserji, söz konusu maddeyi çevrenin kimyasal kompozisyonunda yer alan 

maddelere dönüştüren kimyasal tepkimelerden elde edilebilecek maksimum iş 

miktarıdır. Bu tanıma göre proses tamamıyla tersinir olmalıdır. Bu proseste başlangıç 

şartları P 0 ve T 0 olarak tanımlanan çevre koşullarıdır ve son durum ise T 0 ve söz 

konusu gazın çevredeki standart kısmi basıncıdır. Öyleyse hem giriş hem de çıkış 

durumları aynı T 0 sıcaklığında karakterize edilir. Bir tersinir izotermal proses, 

maddenin sıcaklık ve basıncını T 0 ,P 0 dan T 0 ,P 00 a indirgemek için kullanılabilir 

(Kotaş, 1995). Yayılma prosesinin sonunda gaz basıncı onun atmosferik havadaki 

kısmi basıncına indirgendiği zaman gaz tersinir olarak atmosfer içinde serbest kalır. 

Böyle bir prosesten maddenin her bir molüne karşı elde edilecek iş molar kimyasal 

ekserjiye ( ~ ε CH 

) eşittir. Bir ideal gaz için eşitlik (2.31) geçerlidir. 

~ 

Po 

ε 

CH 

= RTo 

ln( ) 

(2.31) 

P 

Eşitlik (2.24) de toplam kimyasal ekserji denkliği verilmiştir (Kotaş, 1995). 

oo 

~ ε 

OM 

∑ χi 

ε 

CH 

+ 

i 

i 

= . ~ RT χ . ln χ 

(2.32) 

o 

∑ 

i 

i 

i 

Burada 

χ 

i 

i bileşenin mol kesri, 

~ ε 

CH i 

ise i bileşeninin molar kimyasal ekserjisidir. 

Bu çalışmada yakıt hücresinde kullanılan gazları ideal gaz olarak kabul edersek, 

PEM yakıt hücresi için kimyasal ekserjiler aşağıdaki gibi hesaplanır.



Oksijenin kimyasal ekserjisi; 

~ 

Po 

( ε 

CH 

) 

O 

= R. 

T ln( ) 

2 o 

(2.33) 

P 

( ~ ε 

CH 

) 

O 

2 

oo O 2 

5,065 

= 8,314× 

298,15× 

ln( ) 

0,204 

( 

~ ε ) = 7961,9 kj/mol 

CH 

O2 

Suyun kimyasal ekserjisi; 

~ 

Po 

( ε 

CH 

) 

H 

ln( ) 

2O 

= RTo 

(2.34) 

P 

oo H 2O 

( ~ ε 

CH 

) 

H O 

2 

5,065 

= 8,314× 

298,15× 

ln( ) 

0,0088 

( 

~ ε ) = 15753,8 kj/kmol 

CH 

H 2O 

Hidrojenin kimyasal ekserjisi; 

Bir gaz yakıtın kimyasal ekserjisi hesaplanırken bazı zorluklar karşımıza çıkar; 

çünkü yakıt düşük Gibbs fonksiyonlu genel çevresel madde sisteminin bir parçası 

değildir. Bu zorluğun üstesinden gelmek için, yakıtın kimyasal ekserjisini 

tanımlamak için seçilen tersinir proses, yakıtı çevreden gelen oksijen yardımıyla bir 

ya da daha fazla referans maddeye dönüştüren bir tersinir kimyasal reaksiyon 

içermelidir. 

PEM yakıt hücresinde, hidrojen yakıt çevrenin oksijeniyle bir yanma reaksiyonu 

verir. Buradan sağlanan iş hidrojenin yanma reaksiyonundan gelen molar Gibbs 

fonksiyonudur. Ayrıca oluşan suyun ve reaktant oksijenin molar ekserjileri yakıtın 

ekserji hesabına katılır. Buna göre hidrojenin molar kimyasal ekserjisi aşağıdaki 

eşitlikle verilebilir.



( 

~ ε ) ( ) ( 

~ 

) 1/ 2( 

~ 

CH H 

= − ∆Go 

H 

+ ε 

o H O 

− ε ) 

(2.35) 

o 

2 2 

2 

o2 

( ∆G ) = γ . ∆g~ 

− γ . ∆g~ 

(2.36) 

H 

2 

∑ 

p 

k 

k 

∑ 

r 

i 

f i 

( ∆G ) = γ . ∆g~ 

− ( γ . ∆g~ 

+ γ . ∆g~ 

O 

o 

H 

H O 

H O 

O 

2 2 

2 

2 

2 

2 H 2 

f 

H 

f 

) 

( ∆G 

o 

) 

H 2 

= 1.( −228590) 

− 0 

( ∆G ) = −228590 

kj/kmol 

o 

H 2 

( 

~ ε 

CH 

) 

H 2 

= 228590 + 15753,8 −1/ 

2× 

7961,9 

( 

~ ε ) = 240362,85 kj/kmol 

CH 

H 2 

2.6.3.2. Fiziksel ekserji 

Fiziksel ekserji, söz konusu maddenin giriş koşullarından, P 0 ve T 0 olarak tanımlanan 

çevre koşullarına geldiği zaman elde edilen maksimum iş miktarına eşittir. Fiziksel 

prosesler, yalnızca çevreyle olan termal etkileşimlerdir (Kotaş, 1995). 

Yukarıdaki eşitlikte 

~ 

~ Po 

ε 

PH 

= ( T − To 

)( ∑ χic 

ε 

P 

) + RTo 

ln( ) 

(2.37) 

i 

P 

ε 

c ~ P i 

(kj/kmol.K), her bir i gazının izobarik ekserji kapasitesidir. 

oo 

R, molar gaz sabitidir. Değeri 8,314 J/mol.K dir. 

ε 

c ~ P i 

ve Poo 

değerleri Kotas (1995)’ 

den alınmıştır. 

Hidrojenin fiziksel ekserjisi; 

( ~ ε 

PH 

) 

H 2 

= ( T − T 

o 

). χ 

H 2 

. c ~ 

ε 

P 

+ 

H 2 

Po 

RTo 

ln( 

P 

oo H 2 

) 

(2.38)



( ~ 

ε PH 

) 

H 

2 

3,039 

= 8,314 × 298,15× 

ln( ) 

0,204 

( 

~ ε ) = 6695,7 kj/kmol 

PH 

H 2 

Oksijenin fiziksel ekserjisi; 

~ 

~ ε 

Po 

( ε 

PH 

) 

O 

= ( T − T ). . ln( ) 

2 

o 

χO 

C 

2 P 

+ RT 

O o 

(2.39) 

2 

P 

oo O2 

( ~ ε 

PH 

) 

O 

2 

5,065 

= 8,314 × 298,15× 

ln( ) 

0,204 

( 

~ ε ) = 7961,94 kj/kmol 

PH 

O2 

Suyun fiziksel ekserjisi; 

~ 

~ ε 

Po 

( ε 

PH 

) 

H 

( ). . ln( ) 

2O 

= T − To 

χ 

H 2O 

CP 

+ RT 

H 2O 

o 

(2.40) 

P 

ooH 

2O 

( ~ ε 

PH 

) 

H O 

2 

5,065 

= (353,15 − 298,15) × 1× 

2,725 + 8,314 × 298,15× 

ln( ) 

0,008 

( 

~ ε ) = 16139,92 kj/kmol 

PH 

H 2O 

Bir PEM yakıt hücresinde genel ekserji denkliği kurarken tüm ekserji girdi ve 

çıktılarının göz önüne alınması gerekir. Yakıt hücresinde ekserji transferi ısı, kütle ve 

iş yoluyla meydana gelir. Yakıt hücresinin ısı kayıp oranı (r HL ) konveksiyon ve 

radyasyonla meydana gelir. Bu, 0 ile 1 arasında bir değerdir. Bu çalışmada 

konveksiyon ve radyasyon yoluyla kaybedilen ısı oranı %20 olarak alınacaktır. 

Hücrede üretilen ısı 

Q & FC 

olarak gösterilir. 

Bir sistemin genel ekserji eşitliği aşağıdaki şekilde yazılır;



E& x = Ex & + I& 

(2.41) 

in 

out 

Eşitlik (2.41) kullanılarak bir PEM yakıt hücresinin ekserji denkliği aşağıdaki şekilde 

yazılır; 

İ FC = > Ėx ısı ? > Ėx is + > Ėx kütle,in ?> Ėx kütle,out 

PEMFCdeki 

toplam 

tersinmezlik 

PEMFCden 

ısıyla transfer 

edilen toplam 

ekseji 

PEMFCden 

işle transfer 

edilen toplam 

ekseji 

PEMFCden 

kütleyle 

transfer olan 

toplam ekseji 

Midilli vd. (2006), yaptıkları çalışmada PEM yakıt hücresinde alan başına 

termodinamik tersinmezlerin cebirsel formunu aşağıdaki şekilde göstermişlerdir; 

I& 

FC 

= 

T0 

(1 − ) × rHL 

× { T0 

[ ∑( 

n& 

× s) 

out − ∑( 

n& 

× s) 

in ] 

T 

−4 

−5 

+ [1.229 − 8.5× 

10 ( T − 298.15) + 4.3085× 

10 T ( ln PH 

+ 0.5ln P ) 

2 

O2 

α A + α C RT i 2 

− 

ln ] × i − i × tm 

× [exp(1268(1/ 303 −1/ 

T )) × (0.005139λ 

α 

Aα 

C nF i0 

−1 

( n× 

i) 

− 0.00326)] − m× 

e + [ n& 

( ~ ε ~ )] 

~ 

, 

[ ( ~ 

PH + ε 

CH H 

)] 

, 

[ ( ~ ~ )] 

~ 

, 

[ ( ~ 

2 out + n& 

ε 

PH + ε 

CH O2 

out 

+ n& 

ε 

PH + ε 

CH H 

)] 

2O 

pro − n& 

ε 

PH + ε 

CH H2 

, in 

~ 

0 1 

[ ( ~ 

T − 

− n& 

ε )] 

~ 

, 

} [ (1 ) ] [ ( ~ 

PH + ε 

CH O 

)] , 

[ ( ~ 

2 in × rHL 

+ − rHL 

+ n& 

ε 

PH + ε 

CH H 

~ )] 

~ 

~ 

, 

[ ( ~ )] 

, 

[ ( ~ 

2 in 

T 

+ n& 

ε 

)] 

, 

~ 

4 

[ ( ~ 

PH 

+ ε 

CH O2 

in 

− n& 

ε 

PH 

+ ε 

CH H2 

out 

− n& 

ε 

PH 

+ ε 

CH O2 

out 

− 

− n& 

ε PH + ε CH )] H , [1.229 8.5 10 ( 298.15) 

2O 

pro − − × T − + 

−5 

α A + α C RT i 2 

4.3085× 

10 T ( ln PH 

+ 0.5ln P ) 

ln ] 

2 

O − 

× i + i × t 

2 

m × 

α Aα 

C nF i0 

−1 

( n× 

i) 

[exp(1268(1/ 303 −1/ 

T )) × (0.005139λ 

− 0.00326)] + m × e 

mem 

mem 

Yukarıda belirtilen eşitliğe göre PEM yakıt hücresinin ekserji verimi eşitlik (2.42)’de 

verilmiştir;



R ekserji = 1 ? İ FC 

> Ėx in 

= 1 ? 

İ FC 

n%P* PH +P* CH H2,in +n%P* PH +P* CH O2,in 

(2.42) 

2.7. PEM Yakıt Hücresinin Ekonomik Analizi 

Son yıllarda, yakıt hücresi, enerjinin verimsizliği ve enerji üretimi sırasında çevre 

kirliliğine neden olan atık gaz problemlerine karşı en iyi çözüm yolu olarak 

düşünülmektedir. Ekonomik kalkınma, gelecekte 1,5-3 kat kadar artacak olan enerji 

talepleriyle geniş ölçüde büyüyecektir (Kamarudin vd., 2006). Artan bu enerji 

taleplerinin minimum maliyette karşılanabilmesi için enerji üretiminde yeni 

yöntemler üzerine çalışmalar yapılmaktadır. 

Doğrudan hidrojen kullanan PEM yakıt hücresi maliyeti üzerine birçok araştırma 

yapılmıştır. Kamarudin vd., (2006) bir PEM yakıt hücresi sisteminin maliyet 

analizini yapmışlardır. Çalışmalarındaki hidrojen üretim sistemi, bir yakıt işleme 

birimi ve bir hidrojen arıtma biriminden oluşmaktadır. Bunun yanında PEM yakıt 

hücresi yığın maliyetini hesaplamışlardır. 

Bir yakıt hücresi yığını bileşenlerinin, hücre içindeki maliyet yüzdeleri Şekil 2.10.’ 

da gösterilmiştir. Buradan görüldüğü gibi elektrotların ve gaz tabakasının maliyeti 

yakıt hücresi yığın bileşenleri içinde oldukça önemli bir yer tutmaktadır.



7% 

32% 

12% 

11% 

montaj 

membran 

platin 

çiftleşmiş gaz tabakası 

elektrot 

38% 

Şekil 2.10. Yakıt hücresi yığınındaki bileşenlerin maliyet yüzdeleri 

(Kamarudin vd., 2006) 

Bunun dışında, tek bir hücrenin maliyeti, akım miktarı ve hücrenin aktif bölgesinin 

alanından büyük ölçüde etkilenmektedir. Yığının maliyeti aktif yüzey alanıyla 

değişmektedir. PEM yakıt hücresi yığınındaki bileşenlerin 1 m 2 aktif yüzey başına 

düşen maliyetleri Çizelge 2.3.’ de gösterilmiştir. 

Çizelge 2.3. PEMFC Yığınındaki bileşenlerin maliyetleri (Kamarudin vd., 2006). 

Bileşen 

Maliyet (US$) 

Nafyon Membran 550 m -2 

Platin (2-4 g.m -2 ) 32-64 m -2 

Elektrot (tek bir hücre için max. 0,8 mm) 1423 m -2 

Bipolar tabaka (max. 0,4 mm) 1650 m -2 

Son tabaka, plastik çerçeve 15,4 m -2 

Montaj 

7,7 kW



Kamarudin vd. (2006) 1 kW enerji üretmek için gereken yakıt hücresi maliyetinin 

daha önce çalışılmış olan içten yanmalı motorların (ICE) maliyetleriyle 

karşılaştırılmasını yapmışlardır. Bu karşılaştırma sonuçları Çizelge 2.4.’ de 

verilmiştir. 

Çizelge 2.4. PEMFC Sistemi maliyetinin içten yanmalı motor (ICE) sistemi 

maliyetleriyle karşılaştırılması. 

Referans Sistem Maliyet (US$) 

Bird, 1996 ICE 500-1000 

McKerron, 2000 ICE 500-1000 

Ogdean vd., 2004 ICE 1300-1500 

Roy vd., 2005 ICE 1000-1200 

Kamarudin vd., 2006 PEMFC 1200



3. MATERYAL VE YÖNTEM 

3.1. Materyal 

Bu çalışmada beş farklı destek materyali kullanılmış gaz difüzyon tabakasının, 

Nafyon membranlı bir PEM yakıt hücresinin ekserji ve enerji verimine etkisini 

incelemeye çalışılmıştır. Bu destek malzemeler farklı yapıdaki teknik tekstil 

materyallerinden oluşmaktadır. Yakıt hücresinin destek malzeme tipine göre 

kalınlıkları Çizelge 3.1.’ de gösterilmiştir. 

Çizelge 3.1. GDL’ lerin tanımlanması (Adanur vd., 2006) 

Ref. GDL Destek Tipi Kalınlık (mm) 

Torray-090 Kağıt %20PTFE 0,33 

E-TEK BIA Kumaş, Ekose %20PTFE 0,35 

Torray-0120 Kumaş, Ekose %20PTFE 0,4 

E-TEK BIC Kumaş, Saten %20PTFE 1,3 

E-TEK BID Kumaş, Örme %20PTFE 1,4 

3.2. Yöntem 

Bu çalışmada ilk olarak, ideal bir yakıt hücresinin verimi hesaplanmış, yakıt 

hücresinde mümkün olan potansiyel aşırı gerilimleri göz önüne alınarak gerçek 

potansiyel hesaplanmıştır. Yakıt hücresinin performansı, hücre voltajı olarak 

belirtilen nernst potansiyeli ile tanımlanır. PEM yakıt hücresinin tersinir gerilimi 

reaktant ve ürünler arasındaki enerji denkliğinden ve Faraday sabitinden 

hesaplanmıştır. Sabit sıcaklık ve basınçta çalışan bir yakıt hücresi için elde edilebilir 

maksimum elektrik işi (Wel), elektrokimyasal reaksiyonun Gibbs serbest 

enerjisindeki değişimle verilmiştir. PEM yakıt hücresi için birim alanda elde edilen 

elektrik gücü akım yoğunluğuna ve net çıkış gerilimine bağlı olarak hesaplanmıştır. 

Yakıt hücresinde mümkün olan kimyasal ve fiziksel ekserjiler hesaplanmıştır. Yakıt 

hücresinde genel ekserji denkliği kurarken tüm ekserji girdi ve çıktıları göz önüne 

alınmıştır. Bu girdi ve çıktılar, ısı, kütle ve iştir. PEM yakıt hücresinde alan başına 

termodinamik tersinmezler hesaplanmıştır. Hesaplamalar Excel programı 

kullanılarak yapılmıştır.



3.2.1. Genel yaklaşımlar ve parametreler 

PEM yakıt hücresinin birim alanı başına termodinamik tersinmezliklerin belirlenmesi 

için aşağıda verilen genel yaklaşımlar göz önüne alınmıştır. 

• Proton değişim membran yakıt hücresi yatışkın-durum koşullarındadır 

• Reaktanların akışı yatışkın, sıkıştırılamaz ve laminerdir 

• Ürün olarak elde edilen su sıvı haldedir 

• Tüm gazlar ideal haldedir 

• Kinetik ve potansiyel enerjiler ihmal edilmiştir. 

• İzobarik ekserji kapasite değerleri literatürden alınmıştır (Kotaş, 1995) 

• Hücre çalışma sıcaklığı 80°C (353,15 K)’ dir 

• Hücre basınçları 3 ve 5 atm dir 

• Membran kalınlıkları 0.33, 0.35, 0.4, 1.3 ve 1.4 mm olarak alınmıştır. 

• Akım yoğunlukları 0.01-1.06 A/cm 2 olarak 0.1 aralıklarla artırılarak alınmıştır. 

• Standart şartlar 1 atm basınç ve 25°C’ dir 

• Isı kayıp oranı %20 alınmıştır. Yakıt hücresinde toplam ısı üretiminin %20 si 

konveksiyon ve radyasyon yoluyla kaybolmaktadır (Cownden vd., 2001) 

• Nemlendirme suyunun akış hızı düşük ve çevre koşullarına oldukça yakın olduğu 

için, oksijen ve hidrojen akışlarının nemlendirilmesinde kullanılan suyun kütle 

akış hızı ihmal edilmiştir (Cownden vd., 2001) 

• Hidrojen ve oksijenin kullanım yüzdeleri, sırasıyla %80 ve %50 olarak alınmıştır 

(Lee vd., 2004) 

• Nemlendirilmiş oksijen kullanılmaktadır 

• Aktivasyon, omik ve konsantrasyon aşırı gerilimleri göz önüne alınmıştır. 

Gerekli parametreler Çizelge 3.2’ de verilmiştir.



Çizelge 3.2. Hesaplamalar için sabit ve değişken parametreler 

Parametre Sembol Birim Değeri 

Hücre sıcaklığı T K 353,15 

Hücre basıncı P atm 3, 5 

Membran kalınlıkları t m cm 0.033; 0,035; 0,04; 

0,13; 0,14 

Akım yoğunluğu i A/cm 2 0,01-1,06 

Anot stokiyometrisi 

Katot stokiyometrisi 

ζ 

A 

_ 1,5 

ζ 

C 

_ 3 

Anot transfer katsayısı α A _ 0,5 

Katot transfer katsayısı α C _ 1 

Üniversal gaz sabiti R J/(mol.K) 8,314 

Faraday sabiti F C/mol 96485 

Hidrojenin üst ısıl değeri HHVH2 J/mol 286000 

Standart basınç P atm 1 

Standart sıcaklık T K 298,15 

3.2.2. Teknik tekstil destek ve farklı gaz difüzyon tabakalı bir PEM yakıt 

hücresinde enerji ve ekserji hesabı 

Hesaplama; 0.06 A akım yoğunluğunda Torray-090, Kağıt %20 PTFE destek 

malzemesi kullanılarak yapılmıştır. Membran kalınlığı 0,33 mm. dir. 

E 

rev, 

T 

= 1,3 V 

V 

= − 

act E act



E act = −0,9514 

+ 0,00312× 

353 − 0,000187 × 353ln(0,06) 

+ 7,4× 

10 

−5 

× 353ln(4,335× 

10 

−6 

) 

E act = 0,0116 V 

0,033 

R = = 0,2276 

ohm 

kΩ.cm 2 

0,145 

V = 0 ,06× 

0,2276 = 0,01366 V 

ohm 

−5 

m = 1,4 × 10 V 

−3 

n = 8 × 10 cm 2 .m.A -1 

= 60 

i mA/cm 2 5 

−5 

−3 

− 

V 

conc 

= 1,4 × 10 × exp(8 × 10 × 60) = 2,26× 

10 V 

−5 

V = 1,3 − ( −0,0116) 

− 2,26× 

10 − 0,0136 = 1,3 V 

cell 

W & = 1 ,3× 

0,06 = 0,0779 VA/cm 2 

FC 

PEM yakıt hücresinde 0,06 A’lik akım için gereken hidrojen miktarı; 

PEM yakıt hücresinde her bir H 2 için 2 e - açığa çıkar. 

1coul 

/ sec 1eq. 

e 

− 1gmolH 

2 3600sec. 

n & 

H 

= 0,06A× 

( ) × ( ) × ( ) × ( ) 

2, 

react 

1A 

96487coul 

2eq. 

e 

− 

1hr 

n& = 1,12× 

10 

−3 

H 

gmol/hr 

2, react



H 2 ’nin %80 kullanılabilirliği olduğuna göre; 

U 

f 

= 

n& 

H 

n& 

2, react 

H 

2, in 

1,12× 

10 

0,8 

−3 

−3 

n& 

H 

= = 1,4 × 10 gmol/hr 

2, in 

−4 

n& 

H 

= 2,8 × 10 gmol/hr 

2, out 

PEM yakıt hücresinde 0,06 A’lik akım için gereken oksijen miktarı; 

1 

2 

−3 

−4 

n& 

O 

= 1,12 × 10 × = 5,6 × 10 gmol/hr 

2, react 

O 2 ’nin kullanılabilirliği %50’ dir. 

n& = 

O 

2, in 

n& 

O 

2, react 

U 

f 

5,6 × 10 

0,5 

−4 

−3 

n& 

O 

= = 1,12 × 10 gmol/hr 

2, in 

−4 

n& 

O 

= 5,6 × 10 gmol/hr 

2, out 

−3 

n& 

H 

= 1,12× 

10 

2O out 

gmol/hr

0.7 

3600 

286000 

10 

1,4 

0,0779 

3 = 

× 

× 

× 

= − 

Enerji 

η 

( ) 

( ) 

( ) 

( ) 

5 

1 

2 

8 

5 

4 

, 

6 

, 

7 

, 

7 

, 

6 

, 

6 

1 

, 

6 

, 

6 

, 

6 

, 

7 

, 

7 

5 

1 

2 

8 

5 

4 

6 

6 

7 

7 

10 

2,26 

0.00326)] 

16,18 

(0.005139 

353,15)) 

1/ 

303 

[exp(1268(1/ 

0,033 

0,06 

0,06 

] 

10 

1,67 

0,06 

ln 

96485 

2 

353,15 

8,314 

1 

0,5 

1 

0,5 

0.5ln 4,92 

ln 2,532 

353,15 

10 

4.3085 

298.15 

353,15 

10 

8.5 

[1.229 

15753,8)] 

(16139,96 

10 

[1,12 

7961,94)] 

(7961,94 

10 

[5,6 

240362,85)] 

(6695,7 

10 

[2,8 

7961,94)] 

(7961,94 

10 

[1,12 

240362,85)] 

(6695,7 

10 

[1,4 

] 

353,15 

298,15 

0,2) 

(1 

[0,2 

} 

7961,94)] 

(7961,94 

10 

[1,12 

240362,85)] 

(6695,7 

10 

[1,4 

15753,8)] 

(16139,96 

10 

[1,12 

7961,94)] 

(7961,94 

10 

[5,6 

240362,85)] 

(6695,7 

10 

[2,8 

10 

2,26 

0.00326)] 

16,18 

(0.005139 

353,15)) 

1/ 

303 

[exp(1268(1/ 

0,033 

0,06 

0,06 

] 

10 

1,67 

0,06 

ln 

96485 

2 

353,15 

8,314 

1 

0,5 

1 

0,5 

0.5 ln 4,92 

ln 2,532 

353,15 

10 

4.3085 

298.15 

353,15 

10 

8.5 

[1.229 

205)] 

10 

(1,12 

130,68) 

10 

(1,4 

210) 

10 

(5,6 

135,57) 

10 

{298,15[2,8 

0,2 

) 

353,15 

298,15 

(1 

2 

2 

2 

2 

2 

2 

2 

2 

2 

2 

− 

− 

− 

− 

− 

− 

− 

− 

− 

− 

− 

− 

− 

− 

− 

− 

− 

− 

− 

− 

− 

− 

− 

− 

− 

× 

+ 

− 

× 

× 

− 

× 

× 

+ 

× 

× 

× 

× 

× 

+ 

− 

+ 

× 

× 

× 

+ 

− 

× 

− 

− 

+ 

× 

− 

+ 

× 

× 

− 

+ 

× 

− 

+ 

× 

+ 

+ 

× 

+ 

× 

− 

+ 

× 

+ 

× 

× 

− 

+ 

× 

× 

− 

+ 

× 

× 

+ 

+ 

× 

× 

+ 

+ 

× 

× 

+ 

× 

− 

− 

× 

× 

− 

× 

× 

− 

× 

× 

× 

× 

× 

+ 

− 

+ 

× 

× 

× 

+ 

− 

× 

− 

+ 

× 

× 

− 

× 

× 

+ 

× 

× 

+ 

× 

× 

× 

× 

− 

= 

pro 

O 

H 

out 

O 

out 

H 

in 

O 

in 

H 

in 

O 

in 

H 

pro 

O 

H 

out 

O 

out 

H 

FC 

I & 2 

2, 

2, 

) 

( H 

H 

H 

FC 

Enerji 

HHV 

n 

n 

W 

out 

reacted 

× 

+ 

= 

& 

& 

& 

η 


http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.



I & 

FC 

= 0.21 

η 

exergy 

= 1− 

I & 

∑ 

FC 

E 

in 

η exergy 

0,21 

= 1 − = 0,423 

0,364



4. ARAŞTIRMA BULGULARI 

Farklı gaz difüzyon tabakaları ve teknik tekstil destek malzemesi içeren Nafyon 

membranlı PEM yakıt hücresinin enerji ve ekserji verimleri hesaplanmıştır. 0,1 artan 

değerlerle 0,01-1,06 A/cm 2 aralığındaki akım yoğunluklarına karşılık gelen enerji ve 

ekserji verimleri aşağıdaki çizelgelerde gösterilmiştir. 

Çizelge 4.1. 0,01 A/cm 2 Akım yoğunluğunda enerji-ekserji verimleri ve birim alanda 

elde edilen elektrik gücü. 

I (A)=0,01 A/cm 2 ƞ enerji ƞ ekserji 

Destek tipi: Kumaş, Örme %20 PTFE; 

kalınlık 1,4 mm 

Destek tipi: Kumaş, Saten %20 PTFE; 


Destek tipi: Kumaş, Ekose %20 PTFE; 




Destek tipi: Kağıt %20 PTFE; kalınlık 

0,33 mm 

Wfc 

(Volt.A.cm -2 ) 

0,767 0,578 0,0142 

0,768 0,578 0,0142 

0,771 0,579 0,01427 

0,771 0,579 0,01428 

0,771 0,579 0,01428 

Çizelge 4.1.’ de görüldüğü gibi 0,01 A/cm 2 akım yoğunluğunda en yüksek enerji ve 

ekserji verimlerine ulaşılmıştır. Bunun nedeni, düşük akım yoğunluğunda, sistemdeki 

tersinmezliklerden kaynaklanan enerji kaybının oldukça düşük olabilme ihtimalidir. 

Bu akım yoğunluğunda, farklı destek tiplerinin enerji ve ekserji verimleri üzerinde 

etkisi görülmemiştir.














Destek tipi: Kağıt %20 PTFE; kalınlık 0,33 

mm 

Wfc 


0,676 0,416 0,075221 

0,679 0,416 0,075469 

0,699 0,422 0,077704 

0,7 0,422 0,077828 

0,7 0,423 0,077878 












Destek tipi: Kağıt %20 PTFE; kalınlık 0,33 

mm 

Wfc 


0,590 0,416 0,1748 

0,596 0,418 0,1765 

0,649 0,434 0,1924 

0,652 0,435 0,1933 

0,654 0,435 0,1937 

Çizelge 4.2. ve Çizelge 4.3.’ de görüldüğü gibi 0,06 A/cm 2 ve 0,16 A/cm 2 akım 

yoğunluklarında birbirlerine oldukça yakın değerde ekserji verimine ulaşılmıştır. Bu 

akım yoğunluklarında farklı destek tiplerinin yakıt hücresi verimine etkisi oldukça 

düşüktür.















0,33 mm 

Wfc 


0,52 0,374 0,251 

0,53 0,377 0,255 

0,617 0,402 0,297 

0,622 0,404 0,299 

0,624 0,404 0,3 













0,33 mm 

Wfc 


0,456 0,356 0,3044 

0,47 0,36 0,3133 

0,59 0,396 0,3938 

0,597 0,398 0,3982 

0,6 0,399 0,4 

Çizelge 4.4. ve Çizelge 4.5.’ de de görüldüğü gibi akım yoğunluğu arttıkça enerji ve 

ekserji verimlerinde düşüş görülmektedir. Akım yoğunluğu arttıkça yakıt 

hücresindeki olası tersinmezlik kayıpları da artmaktadır. Bu durum yakıt hücresi 

veriminde azalmaya neden olmaktadır.















0,33 mm 

Wfc 


0,386 0,33 0,3369 

0,402 0,335 0,3515 

0,553 0,379 0,4829 

0,561 0,382 0,4901 

0,564 0,383 0,4931 













0,33 mm 

Wfc 


0,337 0,322 0,3484 

0,358 0,328 0,37 

0,547 0,384 0,5647 

0,557 0,387 0,5755 

0,561 0,388 0,5799 

Çizelge 4.6 ve Çizelge 4.7’ de enerji ve ekserji verimlerinin 0,46 A/cm 2 ve 0,56 

A/cm 2 akım yoğunluklarında birbirlerine oldukça yakın olduğu görülmektedir. Artan 

akım yoğunluklarında membran kalınlığının da yakıt hücresi verimi üzerine etkisinin 

arttığı açıkça görülmektedir.















0,33 mm 

Wfc 


0,277 0,306 0,3388 

0,301 0,313 0,3688 

0,522 0,379 0,639 

0,535 0,382 0,6542 

0,54 0,384 0,6602 













0,33 mm 

Wfc 


0,217 0,29 0,307 

0,245 0,298 0,3469 

0,499 0,373 0,705 

0,513 0,377 0,7253 

0,519 0,379 0,7333



Çizelge 4.10. 0,86 A/cm 2 Akım yoğunluğunda enerji-ekserji verimleri ve birim 

alanda elde edilen elektrik gücü. 











0,33 mm 

Wfc 


0,158 0,27 0,251 

0,19 0,28 0,302 

0,479 0,365 0,761 

0,495 0,37 0,787 

0,501 0,372 0,797 













0,33 mm 

Wfc 


0,092 0,253 0,1645 

0,128 0,263 0,228 

0,45 0,358 0,8 

0,467 0,363 0,832 

0,438 0,357 0,845 

Çizelge 4.8, Çizelge 4.9, Çizelge 4.10, Çizelge 4.11 ve Çizelge 4.12’ den de 

görüldüğü gibi akım yoğunluğu arttıkça yakıt hücresinin enerji ve ekserji verimleri 

azalmaya devam etmektedir. 0,76 A/cm 2 ve daha yüksek akım yoğunluklarında 

membran kalınlığı azaldıkça enerji ve ekserji verimlerinde göze çarpan bir artış elde 

edilmiştir. Bu durumda yüksek hızlardaki yakıt ve oksitleyici, ince membrandan 

daha sağlıklı geçmiştir denilebilir.















0,33 mm 

Wfc 


0,0167 0,232 0,033 

0,0561 0,244 0,1105 

0,41 0,348 0,807 

0,43 0,354 0,847 

0,438 0,357 0,862 

Farklı destek malzemeleri için, 0,01-1,06 A/cm 2 akım yoğunlukları arasında 

hesaplanan enerji ve ekserji verimlerinin sütun grafikleri ve enerji-akım yoğunluğu, 

ekserji-akım yoğunluğu grafikleri aşağıda verilmiştir. Aynı zamanda her bir akım 

yoğunluğu için, farklı tip destek malzemelerine karşılık gelen enerji ve ekserji verim 

grafikleri aşağıda verilmiştir.



0,900 

0,800 

0,700 

Enerji ve Ekserji Verimi Değerleri 

0,600 

0,500 

0,400 

0,300 

0,200 

Kağıt %20 PTF; kalınlık 0,33 mm 

Kumaş, Ekose %20 PTFE; kalınlık 0,35 

mm 

Kumaş, Ekose %20 PTFE; kalınlık 0,4 mm 

Kumaş, Saten %20 PTFE; kalınlık 1,3 mm 

Kumaş, Örme %20 PTFE; kalınlık 1,4 mm 

0,100 

0,000 

ƞenerji 

ƞekserji 

Şekil 4.1. 0,01 A/cm 2 akım yoğunluğunda ekserji-enerji verimlerinin sütun grafiği. 

0,900 

0,800 

0,700 


0,600 

0,500 

0,400 

0,300 

0,200 

Kağıt %20 PTF; kalınlık 0,33 mm 


mm 


mm 

Kumaş, Saten %20 PTFE; kalınlık 1,3 

mm 

Kumaş, Örme %20 PTFE; kalınlık 1,4 

mm 

0,100 

0,000 

ƞenerji 

ƞekserji 

Şekil 4.2. 0,06 A/cm 2 akım yoğunluğunda ekserji-enerji verimlerinin sütun grafiği.



0,8 

0,7 


0,6 

0,5 

0,4 

0,3 

0,2 

Kağıt %20 PTFE; kalınlık 0,33 mm 

Kumaş, Ekose %20 PTFE; kalınlık 

0,35 mm 


0,4 mm 

Kumaş, Saten %20 PTFE; kalınlık 

1,3 mm 

Kumaş, Örme %20 PTFE; kalınlık 

1,4 mm 

0,1 

0 

ƞenerji 

ƞekserji 


0,7 

0,6 


0,5 

0,4 

0,3 

0,2 



0,35 mm 


0,4 mm 


1,3 mm 


1,4 mm 

0,1 

0 

ƞenerji 

ƞekserji 




0,7 

0,6 


0,5 

0,4 

0,3 

0,2 

Kağıt %20 PTFE; kalınlık 0,33 

mm 

Kumaş, Ekose %20 PTFE; 


Kumaş, Ekose %20 PTFE; 


Kumaş, Saten %20 PTFE; 



1,4 mm 

0,1 

0 

ƞenerji 

ƞekserji 


0,6 

0,5 


0,4 

0,3 

0,2 



0,35 mm 


0,4 mm 


1,3 mm 


1,4 mm 

0,1 

0 

ƞenerji 

ƞekserji 




0,6 

0,5 


0,4 

0,3 

0,2 



mm 




0,1 

0 

ƞenerji 

ƞekserji 


0,6 

0,5 


0,4 

0,3 

0,2 



mm 




0,1 

0 

ƞenerji 

ƞekserji 




0,6 

0,5 


0,4 

0,3 

0,2 



mm 




0,1 

0 

ƞenerji 

ƞekserji 


0,6 

0,5 

Enerji ve ekserji Verimi Değerleri 

0,4 

0,3 

0,2 



mm 




0,1 

0 

ƞenerji 

ƞekserji 




0,5 

0,45 

0,4 


0,35 

0,3 

0,25 

0,2 

0,15 



mm 




0,1 

0,05 

0 

ƞenerji 

ƞekserji 


0,5 

0,45 

0,4 

Enerji ve Ekseri Verimi Değerleri 

0,35 

0,3 

0,25 

0,2 

0,15 



mm 




0,1 

0,05 

0 

ƞenerji 

ƞekserji 




Akım Yoğunluğu- Enerji Verimi Grafiği 

0,9 

0,8 

0,7 

0,6 

Enerji Verimi 

0,5 

0,4 

0,3 

ƞenerji 

0,2 

0,1 

0 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 

Akım Yoğunluğu (A/cm2) 

Şekil 4.13. Kağıt %20 PTFE; kalınlık 0,33 mm destek malzemesi kullanılan PEMFC 

için değişen akım yoğunluklarına karşı enerji verimi grafiği. 

Akım Yoğunluğu- Ekserji Verimi Grafiği 

0,7 

0,6 

0,5 

Ekserji Verimi 

0,4 

0,3 

ƞekserji 

0,2 

0,1 

0 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 

Akım yoğunluğu (A/cm2) 

Şekil 4.14. Kağıt %20 PTFE; kalınlık 0,33 mm destek malzemesi kullanılan PEMFC 

için değişen akım yoğunluklarına karşı ekserji verimi grafiği.




0,9 

0,8 

0,7 

0,6 

Enerji Verimi 

0,5 

0,4 

0,3 

ƞenerji 

0,2 

0,1 

0 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 


Şekil 4.15. Kumaş, Ekose %20 PTFE; kalınlık 0,35 mm destek tipi kullanılan 

PEMFC için değişen akım yoğunluklarına karşı enerji verimi grafiği. 


0,7 

0,6 

0,5 


0,4 

0,3 

ƞekserji 

0,2 

0,1 

0 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 


Şekil 4.16. Kumaş, Ekose %20 PTFE; kalınlık 0,35 mm destek tipi kullanılan 

PEMFC için değişen akım yoğunluklarına karşı ekserji verimi grafiği.




0,9 

0,8 

0,7 

0,6 

Enerji Verimi 

0,5 

0,4 

0,3 

ƞenerji 

0,2 

0,1 

0 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 


Şekil 4.17. Kumaş, Ekose %20 PTFE; kalınlık 0,4 mm destek tipi kullanılan PEMFC 

için değişen akım yoğunluklarına karşı enerji verimi grafiği. 

Akım Yoğunluğu-Ekserji Verimi Grafiği 

0,7 

0,6 

0,5 


0,4 

0,3 

ƞekserji 

0,2 

0,1 

0 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 


Şekil 4.18. Kumaş, Ekose %20 PTFE; kalınlık 0,4 mm destek tipi kullanılan PEMFC 

için değişen akım yoğunluklarına karşı ekserji verimi grafiği.



Akım Yoğunluğu- enerji Verimi Garfiği 

0,9 

0,8 

0,7 

0,6 

Enerji Verimi 

0,5 

0,4 

0,3 

ƞenerji 

0,2 

0,1 

0 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 


Şekil 4.19. Kumaş, Saten %20 PTFE; kalınlık 1,3 mm destek malzemesi kullanılan 



0,7 

0,6 

0,5 


0,4 

0,3 

ƞekserji 

0,2 

0,1 

0 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 


Şekil 4.20. Kumaş, Saten %20 PTFE; kalınlık 1,3 mm destek malzemesi kullanılan 




Akım yoğunluğu- Enerji Verimi Grafiği 

0,9 

0,8 

0,7 

0,6 

Enerji Verimi 

0,5 

0,4 

0,3 

ƞenerji 

0,2 

0,1 

0 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 

Akım yoğunluğu (A/cm2) 

Şekil 4.21. Kumaş, Örme %20 PTFE; kalınlık 1,4 mm destek malzemesi kullanılan 



0,7 

0,6 

0,5 


0,4 

0,3 

ƞekserji 

0,2 

0,1 

0 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 


Şekil 4.22. Kumaş, Örme %20 PTFE; kalınlık 1,4 mm destek malzemesi kullanılan 




0,01 A/cm2 akım yoğunluğu 

0,900 

0,800 

0,700 

0,600 

0,500 

0,400 

ηenerji 

ηekserji 

0,300 

0,200 

0,100 

0,000 

0,33 0,35 0,4 1,3 1,4 

memran kalınlığı(mm) 

Şekil 4.23. 0,01 A/cm 2 akım yoğunluğunda çalışan PEM yakıt hücresinin membran 

kalınlıklarına göre enerji ve ekserji verimleri grafiği. 


0,8 

0,7 

0,6 

0,5 

0,4 

ηenerji 

ηekserji 

0,3 

0,2 

0,1 

0 

0,33 0,35 0,4 1,3 1,4 

membran kalınlığı(mm) 


kalınlıklarına göre enerji ve ekserji verimleri grafiği.




0,7 

0,6 

0,5 

0,4 

0,3 

ηenerji 

ηekserji 

0,2 

0,1 

0 

0,33 0,35 0,4 1,3 1,4 





0,7 

0,6 

0,5 

0,4 

0,3 

ηenerji 

ηekserji 

0,2 

0,1 

0 

0,33 0,35 0,4 1,3 1,4 







0,7 

0,6 

0,5 

0,4 

0,3 

ηenerji 

ηekserji 

0,2 

0,1 

0 

0,33 0,35 0,4 1,3 1,4 

membran kalınlığı (mm) 




0,6 

0,5 

0,4 

0,3 

ηenerji 

ηekserji 

0,2 

0,1 

0 

0,33 0,35 0,4 1,3 1,4 







0,6 

0,5 

0,4 

0,3 

ηenerji 

ηekserji 

0,2 

0,1 

0 

0,33 0,35 0,4 1,3 1,4 





0,6 

0,5 

0,4 

0,3 

ηenerji 

ηekserji 

0,2 

0,1 

0 

0,33 0,35 0,4 1,3 1,4 







0,6 

0,5 

0,4 

0,3 

ηenerji 

ηekserji 

0,2 

0,1 

0 

0,33 0,35 0,4 1,3 1,4 





0,6 

0,5 

0,4 

0,3 

ηenerji 

ηekserji 

0,2 

0,1 

0 

0,33 0,35 0,4 1,3 1,4 







0,5 

0,45 

0,4 

0,35 

0,3 

0,25 

ηenerji 

ηekserji 

0,2 

0,15 

0,1 

0,05 

0 

0,33 0,35 0,4 1,3 1,4 





0,5 

0,45 

0,4 

0,35 

0,3 

0,25 

ηenerji 

ηekserji 

0,2 

0,15 

0,1 

0,05 

0 

0,33 0,35 0,4 1,3 1,4 






5. TARTIŞMA ve SONUÇ 

Bu çalışmada farklı gaz difüzyon tabakaları ve farklı yapıdaki tekstil 

malzemelerinden oluşmuş destek malzemeleri kullanılan, Nafyon membranlı PEM 

yakıt hücresinin, 0,1 artan değerlerle 0,01-1,06 A/cm 2 aralığındaki akım 

yoğunluklarına karşılık gelen enerji ve ekserji verimleri hesaplanmıştır. PEM yakıt 

hücrelerinde ideal hücre sıcaklığı 80 °C’dir. Anot ve katot basınçları sırasıyla 3 atm 

ve 5 atm değerindedir. Bu şartlarda PEM yakıt hücresi en yüksek verimi 

göstermektedir. Gaz difüzyon tabakasının yapısı ve membran kalınlığı verimin 

performansı açısından oldukça önemlidir. Bu çalışmada farklı destek tipleri 

kullanılarak hazırlanmış, farklı membran kalınlıklarında ekserji ve enerji hesapları 

gerçekleştirilmiştir. Bu destek tipleri, üzerinde son günlerde oldukça yoğun çalışılan 

elektro-tekstil uygulamalarında kullanılabilecek teknik tekstil olarak da 

nitelendirebilir. 

Yapılan hesaplamalara göre membran kalınlıkları arttıkça ekserji ve enerji 

verimlerinde düşüş görülmektedir. En yüksek enerji ve ekserji verimini 0,01 A/cm 2 

akım yoğunluğunda çalışılan PEM yakıt hücresi göstermiştir. Bu akım yoğunluğunda 

farklı tip destek malzemeleriyle hazırlanmış, farklı membran kalınlıklarındaki PEM 

yakıt hücrelerinin enerji ve ekserji verimleri arasında dikkate alınabilecek bir fark 

görülmemiştir. Destek tipi: Kumaş, Ekose %20 PTFE olan 0,4 mm- 0,35 mm 

kalınlıklara sahip gaz difüzyon tabakası ve Destek tipi: Kağıt %20 PTFE olan 0,33 

mm kalınlığındaki gaz difüzyon tabakasına sahip PEM yakıt hücrelerinin ekserji ve 

enerji verimleri (η enerji : 0,771 ve η ekserji : 0,579) birbirine eşittir (Bkz. Çizelge 4.1). 

Artan akım yoğunluklarında PEM yakıt hücresinin enerji ve ekserji verimlerinde 

düşüş görülmektedir. Her bir membran için, değişen akım yoğunluklarına karşı 

ekserji ve enerji verimleri grafiklerle gösterilmiştir. Bunun yanında membran 

kalınlıklarının azalması enerji ve ekserji verimlerinin artmasına neden olmuştur. 

Sonuçlar çizelgelerde verilmiştir.



Düşük akım yoğunluklarında membran kalınlıklarının yakıt hücresi veriminde 

önemli bir etkisi görülmemektedir. Akım yoğunluğu arttıkça, membran 

kalınlıklarındaki artış hücrenin enerji ve ekserji verimlerini daha fazla düşürmüştür. 

Bunun nedeni destek malzemesinin, hücreye giren gazları daha düzgün ve daha 

verimli bir şekilde iletememesi olarak yorumlanmıştır; çünkü destek malzemesi, 

gazların membrandan geçişinin homojen olmasını sağlayamamış, bunu sonucu olarak 

da hücreye giren yakıt ile oksitleyici konsantrasyonu maksimum seviyede 

tutulamamıştır. Bu da hücredeki enerji veriminde düşüşe neden olmuştur. Daha 

düşük yoğunluklardaki akım gaz difüzyon tabakasından daha verimli bir şekilde 

geçmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, gaz difüzyon tabakasında kullanılan, 0,35 mm 

kalıklıktaki kumaş- ekose %20 PTFE ve 0,33 mm kalınlıkta kağıt %20 PTFE tipi 

destek malzemelerin daha yüksek verim sağladığı görülmektedir. 

Bunun yanında, 1 kW enerji üretmek için gereken PEM yakıt hücresi maliyeti, içten 

yanmalı motorların maliyetleriyle karşılaştırılmıştır. Araştırma sonuçlarına göre 

PEM yakıt hücresi yığın maliyetleri, 200-1000 US$/kW arasında değişmektedir. 

Bunların arasında Kamarudin vd. (2006) tarafından en uygun üretim maliyeti 1200 

US$/kW olarak hesaplanmıştır. Yapılan çalışmalarda içten yanmalı motorların 

maliyetleri 500-1500 US$/kW arasında değişmektedir (Kamarudin vd, 2006). 

Buradan da anlaşıldığı gibi PEM yakıt hücresinin maliyeti içten yanmalı motorlarla 

yarışabilmektedir. Yakıt hücresinin çevreyle dost bir enerji üreticisi olduğunu aynı 

zamanda, zamanla tükenecek olan fosil yakıtlara ihtiyacı olmaması düşünülürse, 

kullanımlarının içten yanmalı motorlara göre daha avantajlı olduğunu söyleyebiliriz. 

Bu çalışmadan anlaşıldığı gibi, yakıt hücrelerinin verimini arttırmak için gaz 

difüzyon tabakalarında kullanılan destek malzemelerin önemi oldukça büyüktür. 

Elektronik tekstil materyallerinin, yakıt hücrelerinde kullanımının hücre 

performansına önemli ölçüde etkisi vardır. Bu etkiyi daha iyi anlayabilmek ve daha 

sağlıklı bir sonuç elde etmek için, farklı tekstil materyalleriyle desteklenmiş referans 

bir gaz difüzyon tabakasına sahip, prototip bir PEM yakıt hücresi hazırlanıp, her bir 

destek malzemesi için, belirli sıcaklık, basınç ve akım yoğunluğunda çalışılarak,



hücrenin gerçek potansiyeli deneysel olarak ölçülebilir. Elde edilen sonuçlarla söz 

konusu PEM yakıt hücresinin enerji ve ekserji verimleri hesaplanabilir. 

Başka bir çalışmada ise, kullanılan tekstil materyallerine, çeşitli yöntemlerle 

iletkenlik özelliği kazandırılarak, birkaç farklı e-tekstil ürünü oluşturulup, bu 

ürünlerin PEM yakıt hücresinde destek malzeme olarak kullanılması sağlanabilir. 

Böylece yakıt hücresi membranının iletkenliği arttırılabilir.



6. KAYNAKLAR 

Adanur, S., Abdelhady, F., Choe, B., Tatarchuk, B., Fan, Q., Warner, S., 2006. 

Coated and Laminated Fabrics for Fuel Cells. National Textile Center 

Project. Project no: F04-AE01, 10. 

Arıkol, M., 1985. Ekserji Analizine Giriş, TÜBİTAK Proje, 20. 

Berning, T., Djilali, N., Dong, Z., Dost, S., Gebali, F., Nguyen, T.V., 2002. Three- 

Dimentional Computational Analysis of Transport Phenomena in a PEM Fuel 

Cell. Universty of Victoria, Doctor of Philosophy, 205, Canada. 

Bird, C.E.B., 1996. Fuel Cell Commercialization Issues for Light Duty Vehicle 

Applications. Journal of Power Source, Vol. 61, 33-48. 

Cireli, A., Kılıç, B., Sarıışık, M., Okur, A., 2007. Tıbbi Tekstiller ve Test 

Yöntemleri, Paketleme Malzemelerinde TSE Standartları. Uluslar arası 

Sterilizasyon Dezenfeksiyon Kongresi, İzmir. 

Coşkun, E., 2007. Akıllı Tekstiller ve Genel Özellikleri. Çukurova Üniversitesi Fen 

Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 116, Adana. 

Cownden, R., Nahon, M., Rosen, M.A., 2001. Exergy analysis of power system for 

transportation applications. Exergy an International Journal, Vol. 1, No.2, 

112-121. 

Çelik, V., Oral, E., 2006. Hidrojen Yakıtlı Motor Teknolojisi. Mühendis ve Makine, 

Sayı: 540, 15-21. 

Dedetürk, F.C., 2004. Elektronik Tekstil ve Uygulamaları, Manyetik Tekstiller, 

Proton Değişim Membranı. S.D.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans 

Tezi, 95, Isparta. 

Emek, A., 2004. Teknik Tekstiller Dünya Pazarı, Türkiyenin Üretim ve İhracat 

İmkanları, Ankara. 

EG&G Services, 2000. Fuel Cell Handbook. West Virginia, 50, 312. 

Fang, J., Guo, X., Xu, H., Okamoto, K., 2006. Sulfonate Polimides: Synthesis, 

Proton Conductivity and Water Stability, Journal of Power Sources, Vol.159, 

4-11. 

Gözütok, B., 2007. Polivinil Alkol (PVA) Bazlı Membranların Yakıt Hücrelerinde 

Uygulanabilirliğinin incelenmesi, Gazi Üniversitesi Fen bilimleri Enstitüsü, 

Yüksek Lisans Tezi, 131, Ankara. 

İTKİB, 2005. İstanbul Tekstil ve Konfeksiyon İhracatçı Birlikleri Web sitesi. 

http://www.itkib.org.tr. Erişim Tarihi: 18.02.2006.



Jingling, Y., Changpeng, L., Zhen, W., Wei, X., Mengxian, D., 2007. Water 

Resistant Sulfonated Polyimides based 4,4-binaphthyl-1,1,8,8-tetracarboxylic 

dianhydride (BNTDA) for Proton Exchange Membranes, Science Direct 

polimer, Vol. 48, 6210-6214. 

Kamarudin, S.K., Daud, W.R.W., Som, A. Md., Takriff, M.S., Mohammad, A.W., 

2006. Technical Design and Economic Evaluation of a PEM Fuel Cell 

System. Journal of Power Sources, Vol. 157, 641-649. 

Kim, H.J., 2002. Synthesis and Characterizations of Sülfonic Acid Containing 

Polyimides for Polymer Electrolyte Membranes (PEM) in Fuel Cells, Case 

Western Reserve University, Master Thesis, 142, United States. 

Kotas, T.J., 1995.The Exergy Method of Thermal Plant Analysis. Florida, Krieger 

Publishing Company, 32950, 328. Malabar, Florida. 

Larminie, J., Dicks, A., 2003. Fuel Cell Systems Explained. John Wiley and Sons 

Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex. 

Lee, W.Y., Park, G.G., Yang, T.H., Yoon, Y.G., Kim, C.S., 2004. Emprical 

Modelling of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell PerformanceUsing 

Artificial Neural Networks. International Journal of Hydrogen Energy, 

Vol.29, 173-180. 

Libby, B., 2001. Improving Selectivity in Methanol Fuel Cell Membranes, A Study 

of a Polymer Zeolite Composite Membrane, Minnesota University, the 

Degree of Doctor of Philosophy, 157, Minnesota. 

Martin, S.W., Poiling, S.A., Sutherland, J.T., Nelson, C.R., 2003. New Proton 

Conducting Solid Sulfide Membranes for Intermediate Temperature Fuel 

Cells, Hydrogen, Fuel Cells, and Infrastructure Technologies, 3-4. 

McKeroron, G., 2000. Financial Considerations of Exploiting Fuel Cell Technology. 

Journal of Power Source, Vol. 86, 28-33. 

Midilli, M., Midilli, A., Dincer, I., 2006. Thermodynamic Modelling of a Proton 

Exchange Membrane Fuel Cell. International Journal of Exergy, Vol. 3, 

No.1., 16-44. 

Moran, M.J., Tsatsaronis, G., 2000. Engineering Thermodynamics. Berlin, CRC Pres 

LLC, 125. 

O’Hayre, R., P., Cha, S.W, Colella, W., Prinz, F.B., 2006. Fuel Cell Fundamentals. 

John Wiley and Sons,,408, Newyork. 

Ogdean, J.M., Williams, R.H., Larson, E.D., 2004. Societal Lifecycle Costs of Cars 

with Alternative Fuels/Engines. Energy Policy, Vol. 32, 7-27.



Oğuz, A.E., 2006. Hidrojen Yakıt Pilleri ve PEM Yakıt Pilinin Analizi. Gazi 

Üniversitesi Fen bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 85, Ankara. 

Özbek, A., 2006. Akıllı Giysiler, Nonwoven Technical Textiles Technology, 70-77. 

Polotsky, A., Cherkasova, V., Potokin, I., Polotskaya, G., Meleshko, T., 2006. 

Chemically and Thermally Resistant Polyimide Ultra Filtration Membranes 

Prepared from Polyamic Acid, Science Direct Desalination, Vol. 200, 341- 

342. 

Rowe, A., Lee, X., 2001. Mathematical Modelling of Proton Exchange Membrane 

Fuel Cells. Journal of Sources, Vol. 102, 82-96. 

Roy, R., Colmer, S., Griggs, T., 2005. Estimating The Cost of a New Technology 

Intensive Automotive Product. International Journal of Product Economy, 

Vol.97, 210-226. 

Salt, Y., Dinçer, S., 2006. An Option for Special Seperation Operations: Membrane 

Processes. Journal of Engineering and Natural Sciences, Vol. 4, 1-23. 

Serincan, M.F., 2005. Dynamical Modelling of Water Transport in Polymer 

Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) Designs. Sabancı Universty, The 

Degree of Master of Science, 128, Istanbul. 

Smitha, B., Sridhar, S., Khan, A.A., 2005. Solid Polymer Electrolyte Membranes for 

Fuel Cell Applications, Journal of Membrane Science, Vol.259, 10-26. 

Şahin, A., 2007. Yakıt Hücrelerinde Kullanılmak Üzere Yüksek Sıcaklığa Dayanıklı 

Kompozit Membran Sentezi, Gazi Üniversitesi Fen bilimleri Enstitüsü, 

Yüksek Lisans Tezi, 190, Ankara. 

Şenol, İ., 2001. Polimer Elektrolit Membran Yakıt Hücresi için Dowex Reçinesinin 

ve H-ZSM5 Zeolitinin Elektrolit Olarak Denenmesi. Gazi Üniversitesi Fen 

bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 88, Ankara. 

Şenol, R., Üçgül İ., Acar, M., 2007. Yakıt Pili Teknolojisindeki Gelişmeler ve 

Taşıtlara Uygulanabilirliğinin İncelenmesi. Mühendis ve Makine, Cilt: 47 

Sayı: 563, 37–50. 

Şengül, E., 2007. In Partial Fulfilment of The Requirements, Middle East Technical 

Universty, The Degree of Master of Science, 141, Ankara. 

Takuichi, A., 2004. Proton Conducting Material, Proton Conducting Membrane and 

Fuel Cell. United States Patent 2004040180251. 

Tekstil Teknik, 2008. Teknik Tekstil Web Sitesi. http://www.tekstilteknik.com. 

Erişim Tarihi: 15.08.2008.



Ural, Z., Gümüş, B., Gençoğlu, M.T., 2007. Bir PEM Yakıt Pili Sisteminin Matlab 

ile Modellenmesi. http://www.ego.org.tr. Erişim tarihi: 20.09.2009. 

Üreyen. M.E., 2006. Nanoteknoloji ve Türk Tekstil ve Hazır Giyim Sektörleri, Bilim 

ve Teknik, 40-41. 

Vassiliadis, S., Provatidis, C., Prekas K., Rm Seangus, M., 2004. Elektrik İletkenliği 

Bulunan Eğirilmiş İplikler. 10. Uluslar arası İzmir Tekstil ve Hazır Giyim 

Sempozyumu. 

Wikipedia the Free Ansiklopeda, 2008. http://en.wikipedia.org. Erişim tarihi: 2009. 

Yıldızbilir, F., 2006. Yakıt Pili ile Elektrik Enerjisi Üretimi, Fırat Üniversitesi Fen 

Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 57, Elazığ. 

Zawodzinski, T.A., Derouin, C., Radzinski, S., Sherman, R.J., Smith, V.T., Springer, 

T.A., Gottesfeld, S., 1992. Water Uptake by and Transport Through Nafion 

117 Membranes. Journal of Electrochemical Society, Vol. 140, No.4, 1041- 

1047.



ÖZGEÇMİŞ 

Adı Soyadı: İrem Turhan 

Doğum Yeri ve Yılı: Ankara, 1976 

Medeni Hali: Bekar 

Yabancı Dili: İngilizce 

Eğitim Durumu 

Lise: Yahya Kemal Beyatlı Lisesi, 1992 

Lisans: Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi (İngilizce Eğitim) 

Kimya Mühendisliği Bölümü; 2000; ANKARA 

Lisans Dönemi Staj: 

ERDEMİR Ereğli Demir ve Çelik Fabrikası – EREĞLİ/ ZONGULDAK; Üretim 

Planlama Bölümü, 1998 

ERDEMİR Ereğli Demir ve Çelik Fabrikası – EREĞLİ/ ZONGULDAK; Yüksek 

Fırınlar ve Çelikhane laboratuarı, Kok ve Yan Ürünler laboratuarı, Merkez 

Laboratuarı; 1997 

Çalıştığı Kurum 

2003–2007 Isparta Mensucat San. Ve Tic. A.Ş 

Kumaş Terbiye Ünitesi (laboratuar ve İşletme) 

2007–2008 Isparta Mensucat San. Ve Tic. A.Ş 

İplik ve Bobin Boyama Ünitesi (laboratuar ve İşletme)


http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

T.C. SÃLEYMAN DEM REL ÃN VERS TES FEN B L MLER ENST ...

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?

T.C. SÃLEYMAN DEM REL ÃN VERS TES FEN B L MLER ENST ...