PBI esaslı PEM yakıt pilindeki suyun transferi
Water transfer in PBI based PEM fuel cell
Yazar: MUHAMMET ÇELİK
Danışman: DOÇ. DR. GAMZE GENÇ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Alternatif enerji = Alternative energy ; Alternatif enerji kaynakları = Alternative energy resources ; Hidrojen enerjisi = Hydrogen energy ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Günümüzde fosil kaynaklı yakıtların yerini alması düşünülen hidrojen enerjisi için kullanım alanlarına göre çeşitli yakıt hücreleri geliştirilmiş ve hala geliştirilmeye devam edilmektedir. Bu geliştirilen yakıt hücrelerinden biri Polybenzimidazole (PBI) esaslı PEM yakıt hücreleridir. Bu yakıt hücreleri, Nafion membranlı PEM yakıt hücrelerinden daha yüksek çalışma sıcaklıklarında (120-200oC) çalışabilmektedir.  Bunun sonucu olarak yakıt hücresi için su yönetimi daha kolay bir şekilde yapılabilmektedir. Bu tez çalışmasında PBI esaslı bir PEM yakıt hücresinde su yönetimi deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. 
Bu amaç doğrultusunda ilk olarak PBI esaslı elektrolit membran için suyun difüzyonu sıcaklık ve asit katkısına bağlı olarak deneysel ölçülerek ve bu verileri kullanarak difüzyon katsayısı için ampirik bir bağıntı geliştirilmiştir. Ayrıca, fosforik asit ile katkılanan membranların asit ve sıcaklık ile performanslarının nasıl değiştiği deneysel olarak ortaya konulmuştur. Sayısal çalışmalarda ise ilk olarak PBI esaslı bir PEM yakıt hücresi için tek fazlı bir sayısal model geliştirilmiş ve bu model içerisine difüzyon katsayısı için deneysel olarak elde edilen ampirik bağıntı entegre edilmiştir. Modelleme sonucunda hücre içerisindeki hidrojen, oksijen ve suyun dağılımı hem membran elektrot grubu hem de gaz difüzyon tabakaları üzerinde incelenmiştir. Yakıt hücrelerinde mikro gözenekli tabakanın performansa etkisini araştırmak üzere bu tabakanın da sayısal modele eklenmesiyle suyun konsantrasyonu ve dağılımı üzerine etkileri incelenmiştir. İkinci olarak ise çevre şartlarında durdurulması durumunda PBI esaslı PEM yakıt pili içerisinde biriken suyun dağılımını araştırmak üzere iki fazlı akış modellenerek hücrede meydana gelen sıvı doygunluğu ve sıcaklık değişimleri zamana bağlı olarak incelenmiştir.

Abstract:
Today, various fuel cells are developed in order to use hydrogen energy which is thought to take place in fossil fuels. One of the developed fuel cells is Polybenzimidazole (PBI) based PEM fuel cells. These fuel cells operate at higher operation temperatures (120-200oC) than Nafion based PEM fuel cells. As a reason for this, the water management becomes easier in these cells. In this thesis, water management is investigated in a PBI based fuel cell as experimental and numerical. 
In line with this purpose, primarily water diffusion for the PBI based electrolyte membrane was determined by using these data, experimental depending on operation temperature and acid doping level, and an empirical formula was obtained for water diffusion coefficient. Also, it was introduced as experimental how the performance of membranes doped with phosphoric acid change with the acid level and temperature. In the numerical studies, a single phase numerical model was developed as firstly for a PBI based PEM fuel cell and the empirical formula for diffusion coefficient which was obtained as experimental was integrated into this model. As a result of modelling, the distribution of hydrogen, oxygen and water in both membrane electrode assembly and gas diffusion layers was analyzed. In order to investigate the effect of microporous layer on the fuel cell performance, the effects on concentration and distribution of water were studied by adding this layer into the numerical model. Secondly, the variation of saturation of water and temperature was investigated transiently by developing two phase numerical model in order to quantify liquid water content in PBI based fuel cell during shutdown to an ambient state.