Yakıt hücresi bileşenlerinin geometrik özelliklerinin performans analizi
Performance analysis of geometric properties of fuel cell components
Yazar: BEYZA NUR YAVUZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN KAHRAMAN
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Geometrik özellikler = Geometric properties ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Yakıt hücreleri = Fuel cells ; Yakıt pili = Fuel cell

Özet:
Son yıllarda artan sağlık problemleri ve çevre kirliliği sebebiyle yenilenebilir enerji kaynaklarına duyulan ihtiyaç her geçen gün artış göstermektedir. Bu nedenle yakıt hücreleri, düşük emisyon değeri, yüksek enerji verimliliği göstermesi ve daha az çevre kirliliğine sebep olması gibi nedenlerden dolayı daha çok ön plana çıkmaya başlamıştır. Taşınabilen teknolojik cihazlarda ve ulaşım sektöründe kullanılmak istenen polimer elektrolit membran(PEM) yakıt hücreleri, platin katalizörün pahalı olmasından kaynaklı üretimini kısıtlamaktadır. Polimer elektrolit membran yakıt hücreleri, gaz akış kanalları ile reaktant gazların dağılımı ve reaksiyon sonucunda meydana gelen suyun yakıt hücresinden uzaklaştırılmasını sağlamaktadır. Bu nedenle hücre içerisinde yer alan gaz akış kanallarının tasarımı, yüksek performans elde edebilmek amacıyla oldukça önem taşımaktadır. Bu tez çalışmasında, tek kanallı bir PEM yakıt pilinin, 0,75 V hücre voltajında farklı akış kanalı boyutlarına ve akış kanalı kesit geometrisine(dörtgen, üçgen ve yarım daire) ait kanallardaki akım yoğunluğu, oksijen konsantrasyonu, hız ve sıcaklık parametrelerinin katot katalizöründeki dağılımı incelenerek yakıt pili performansına olan etkileri üzerine inceleme yapılmıştır. SolidWorks programında belirlenen ölçülerde çizimi oluşturulan yakıt hücresi modelleri Ansys-Fluent paket programında Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği(HAD) yöntemi ile analiz edilmiştir. Burada edinilen değerlere göre, en fazla akım yoğunluğu miktarının dolayısıyla da en iyi yakıt pili performansının olduğu model, kanal yüksekliği 0,08 cm ve genişliği 0,06 cm ve A= 0,048 cm2 olan dörtgen akış kanalında 9,76x10-5 A/cm2 olarak elde edilmiştir. Oksijen konsantrasyonu dağılımında ise akış kanalı uzunluğu değişmediğinden bütün modellerin analiz sonuçlarında kütle kesir değeri 0,2 olarak ölçülmüştür. Hız dağılımının ise aynı alana sahip farklı akış kanalı geometrilerinde akım yoğunluğu ile ters orantılı olarak değiştiği gözlenmiştir. Burada en yüksek hız değeri R=0,346 mm olan yarım daire kanal geometrisinde 33,1 m/s olarak ölçülmüştür. Giriş ve çıkış sıcaklığı 353 K olarak girilen analizlerde, sıcaklık miktarı hücre içinde düzenli bir dağılım göstermiştir. Sonuç olarak, daha fazla alana ait yakıt pillerinin daha iyi performans gösterdiği elde edilmiştir.

Abstract:
In recent years, there has been an increase in health issues and environmental degradation, which has led to a greater need for renewable energy sources. Fuel cells have therefore begun to gain greater attention due to factors like low emission values, good energy efficiency, and reduced environmental impact. The cost of the platinum catalyst limits the production of polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells, which are desired for use in portable technology and the transportation sector. Fuel cells using polymer electrolyte membranes can distribute reactant gases through gas flow channels and remove water that forms during the reaction from the fuel cell. For this reason, achieving good performance requires careful consideration in the design of the gas flow channels in the cell. In this thesis, it was examined how current density, oxygen concentration, velocity, and temperature parameters were distributed in the cathode catalyst of a single-channel PEM fuel cell in channels with various flow channel sizes and different flow channel cross-section geometries (rectangular, triangular, and semicircular). Investigated were the effects on fuel cell performance. The Computational Fluid Dynamics (HAD) method in the Ansys-Fluent package program was used to study the fuel cell models, which were created in the dimensions specified in the SolidWorks program. The model with the highest current density and consequently the best fuel cell performance was determined to be 9,76x10-5 A/cm2 in a rectangular flow channel with a channel height 0,08 and width of 0.06 cm and A = 0,048 cm2, according to the values found here. The mass fraction value was assessed as 0,2 in the analysis results of all since the flow channel length did not chnage in the oxygen concentration distribution. In varied flow channel geometries with the same area, it has been found that the velocity distribution varies inversely with the current density. The maximum velocity value recorded in this location was 33.1 m/s in a semicircular canal with a R of 0.346 mm. Temperature distribution within the cell was consistent in analyses where the entrance and output temperatures were entered as 353 K. It has been discovered that fuel cells from more places operate better as a result.