PEM tipi yakit hücrelerinde optimum akış plakalarının deneysel ve teorik olarak belirlenmesi
Experimental and theoretical determination of optimum flow plates in PEM type fuel cells
Yazar: ELİF EKER KAHVECİ
Danışman: PROF. DR. İMDAT TAYMAZ
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada toplamda 150 cm2 aktif alana sahip 3 hücreli PEM tipi yakıt pili yığınının akış kanalları, farklı su tutma kapasitelerine sahip PTFE ve SiO2 malzemeleri ile PVD yöntemi kullanılarak kaplanmış ve su yönetiminde en önemli parametre olan su baskınının pil performansına etkisi, kaplanmamış PEM yığını ile kıyaslanarak incelenmiştir.

Öncelikle kaplama işlemleri tamamlanan hidrofobik (temas açısı=120°) karakterde PTFE plakaları ve hidrofilik (temas açısı=30°) karakterde SiO2 plakalarının ayrıca kaplanmamış plakaların montaj işlemleri yapılarak, PEM yakıt pili test düzeneğinde değişken pil sıcaklığı ve akış debisi ile girilen voltaj değerinde akım değerleri ölçülmüş, sonuç olarak polarizasyon eğrileri oluşturulmuştur. Elde edilen eğrilerden bu üç pil yığınında en yüksek performansı alınan PTFE kaplamalı hidrofobik pil yığını için deney tasarım programı olan Design Expert 11.02 (deneme sürümü) ile yanıt yüzey yöntemi (Response Surface Methodology) kullanılarak deneyler yapılıp verilen işletme şartlarında optimum çalışma koşulları pil sıcaklığı 57,826°C, nemlendirme sıcaklığını 56,151°C ve oksijen debisini 1,587 L/dk. olarak belirlenip, sonuç itibari ile güç yoğunluğu ise 432,398 mW/cm2 elde edilmiştir. 

Anot çıkışına uygulanan ölü-uç yönteminde ise kuru besleme yapılarak nemli beslenen şartlarda alınan performans ile kıyaslanmış ve herhangi bir düşüş gözlemlenmemiştir. Bu ise kuru beslemede su yönetimine olumlu etki yaptığı anlamına gelmektedir. Katot çıkışına uygulanan ölü-uç yönteminde ise voltaj-zaman eğrisinde su yönetimi açısından performans düşüklüğünü gösteren ciddi dalgalanmalar oluşmuştur.

Deneysel çalışmadan elde edilen verileri girdi olarak alıp yapılan sayısal çalışmada tek pil modeli kullanılmıştır.Model ile deney sonuçları kıyaslanıp akım-potansiyel eğrileri ile gösterilmiştir.

Abstract:
In this study, the flow channels of the 3-cell PEM type fuel cell stack with a total area of 150 cm2 were coated with PTFE and SiO2 materials with different water-holding capacities using PVD method and the effect of water flooding on the cell performance, which is the most important parameters in water management was investigated comparing with uncoated bipolar plate of PEM stack 

First of all, PTFE plates with hydrophobic character, SiO2 plates with hydrophilic character and uncoated plates were assembled and measured current value with the voltage value entered by variable cell temperature and flow rates in PEM fuel cell test system, polarization curves were formed as a result. From the obtained curves, experiments were performed using Design Expert11.02 (trial version), which is the experimental design program for the highest performance in these three PEM fuel cell stacks and optimum operating conditions were determined as 57,826°C for cell temperature, 56,151°C for humidification temperature and 1,587 L/min. for oxygen flow rate. Finally power density was determined as 432,398 mW/cm2.

In the dead-ended method applied to the anode outlet, it was compared with the performance obtained under conditions of dry feeding and humidity conditions, and no decrease was observed. This means that it has a positive effect on dry water management. In the dead-ended method applied to the outlet of the cathode, serious fluctuations were occured in the voltage-time curve showing the poor performance in terms of water management. 

A single cell model was used for the numerical study taken as input data obtained from the experimental study. The experimental results were compared with the model and indicated by the current-potential curves.