Kömür gazı yakıtlı katı oksit yakıt pillerinin sayısal ve deneysel incelenmesi
Numerical and experimental investigation of coal gas fueled solid oxide fuel cells
Yazar: BERRE KÜMÜK
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA İLBAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Matematiksel modelleme = Mathematical modelling ; Sentez gazı = Synthesis gas ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Bu çalışmada elektrolit destekli katı oksit yakıt pilinde yakıt olarak kömür gazı kullanımın performans üzerindeki etkisi sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir. Tez kapsamında öncelikle deneysel sonuçlar ile elde edilen sayısal sonuçların doğrulaması gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçların birbiri ile oldukça uyumlu olduğu görüldükten sonra sayısal ve deneysel çalışmalar detaylandırılmıştır. Kömür gazı yakıtlı katı oksit yakıt pilinin performansı üzerinde sıcaklık, basınç ve yakıt içeriğinin etkisi hem sayısal hem deneysel olarak incelenirken gözeneklilik, yakıt akış hızı ve destek türünün etkisi sadece sayısal olarak incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde sayısal ve deneysel çalışmalarda her üç yakıt türü için sıcaklık(700°C -750°C ve 800°C) ve basınç (1 atm- 2 atm ve 5 atm) arttıkça yakıt pili performansının yaklaşık %50 arttığı görüldü. Ayrıca, yakıt içeriğinde hidrojen oranı arttıkça katı oksit yakıt pilinin performansı yaklaşık %50 oranında arttı. Sayısal sonuçlarda ise yakıt akış hızı arttıkça tepkimeye giren hidrojen miktarı arttığından performansın iyileştiği görüldü. Aynı zamanda destek türünün etkisi incelendiğinde elektrolit destekli katı oksit yakıt pilinde kalın elektrolit tabakasının ohmik direnci arttırmasından dolayı performansın en düşük olduğu görüldü. Ayrıca, anot ve katot destekli katı oksit yakıt pillerinin performansının birbiri ile oldukça benzer olduğu görüldü. Hem deneysel hem sayısal çalışmalar incelendiğinde katı oksit yakıt pillerinde alternatif yakıtların kullanılabileceği ve çeşitli değişkenlere bağlı olarak saf hidrojenle yarışabilir düzeyde performans gösterebileceği görülmüştür. Bu çalışmanın sonucunda ülkemizin yerli ve milli kaynağı olan kömürden elde edilen kömür gazlarının temiz enerji teknolojileri aracılığıyla daha etkin bir şekilde kullanılabileceği görülmüştür.

Abstract:
In this study, the effect of using coal gas as a fuel on the performance of an electrolyte supported solid oxide fuel cell was investigated numerically and experimentally. In this thesis, firstly, the validation of the numerical results obtained with the experimental results was carried out. After it was seen that the obtained results were quite compatible with each other, numerical and experimental studies were detailed. While the effects of temperature, pressure and fuel content on the performance of a coal gas fueled solid oxide fuel cell were investigated both numerically and experimentally, the effects of porosity, fuel flow rate and support type were investigated numerically only. When the obtained results were examined, it was seen that the fuel cell performance about 50% increased as the temperature (700°C -750°C and 800°C) and pressure (1 atm- 2 atm and 5 atm) increased in numerical and experimental studies for all fuels. In addition, the performance of the solid oxide fuel cell increased as the hydrogen content of the fuel increased about 50%. In the numerical results, it was observed that the performance improved as the amount of hydrogen reacted increased as the fuel flow rate increased. At the same time, when the effect of the support type was examined, it was seen that the performance of the electrolyte supported solid oxide fuel cell was the lowest due to the increase in the ohmic resistance of the thick electrolyte layer. In addition, the performances of anode and cathode supported solid oxide fuel cells were found to be quite similar to each other. When both experimental and numerical studies were examined, it was seen that alternative fuels could be used in solid oxide fuel cells and could compete with pure hydrogen depending on various variables. As a result of this study, it has been seen that coal gases obtained from coal, which is the domestic and national resource of our country, can be used more effectively through clean energy technologies.