İnsansız hava aracı için polimer elektrolit membran yakıt hücresi yığını geliştirilmesi
Development of polymer electrolyte membrane fuel cell stack for unmanned aerial vehicle
Yazar: GÖRKEM YALIN
Danışman: PROF. DR. TAHİR HİKMET KARAKOÇ ; YRD. DOÇ. DR. LEVENT AKYALÇIN
Anadolu Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak Gövde Motor Bakım Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Sivil Havacılık = Civil Aviation
Dizin: İnsansız hava aracı = Unmanned aerial vehicle

Özet:
Polimer elektrolit membran yakıt hücreleri yüksek verimlilikleri, düşük operasyon sıcaklıkları, ihmal edilebilir gürültü ve titreşim değerleri, hızlı başlangıç cevabı, yüksek enerji yoğunluğu ve uzun menzil sağlaması açısından insansız hava araçlarının itki sistemleri için önemli bir adaydır. Bu çalışmada, öngörülen motorun çalışması için gerekli olan 12 V ve maksimum 32 A değerleri, tasarlanacak olan yakıt hücresinin bipolar plakaları, akış kanallarının geometrisi, yakıt hücresinin çalışma voltajını ve akımını belirlemede kullanılmıştır. Nafion 115 membran ve gaz difüzyon tabakası olarak SGL BC 10 karbon kağıt seçilmiştir. Katalizörlü yüzey için 0,5 mg Pt /cm2 olacak şekilde ultrasonik püskürtme yöntemi ile yüzey üzerine püskürtülmüştür. Sonrasında membran elektrot bileşkesi sandaviç şeklinde bir araya getirilmiştir. Kısa yakıt hücre yığınına geçilmeden önce tekli yakıt hücresinin testleri yapılmıştır. Sonuçlar göstermiştir ki yapılan deneyler ile beraber bilgisayar destekli analizin gerekliliği, yakıt hücre yığının oluşturulması aşamasına geçilmeden önce önemli bir adımdır. Ayrıca hücre içinde kullanılan sızdırmazlık elemanın seçimi, hücre çalışma koşulları ve verimlilik açısından oldukça hayati bir öneme sahiptir.

Abstract:
The polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is one of the important candidate for unmanned aerial vehicle (UAV) propulsion system due to high efficiency, low operating temperature, negligible noise and vibration, quick start up, high specific energy density and providing long endurance. In this study, power requirements during take-off, cruise flight and manoeuvre were measured on ground test set up for brushless engine that has 12 V operational voltage and 32 A maximum current. These test results were used to calculate the maximum fuel cell operating voltage and current for a certain surface area of a PEM fuel cell. After all the number of bipolar plates, rib-channel geometry and graphite bipolar plate's thickness are determined for fuel cell operating voltage, current and dimensional limits. NafionTM115 membrane, SGL BC 10 carbon paper as a gas diffusion layer (GDL) are selected for membrane electrolyte assembly (MEA). The catalyst layer (CL) was ultrasonically sprayed over the GDL, having micro porous layer. Amount of the loaded catalyst was 0,5 mg Pt/cm2 for both anode and cathode. To have a MEA, membrane was sandwiched in between two electrodes.. The results of these studies show that validation between the CFD analyses and experiments are very crucial step. Furthermore sealing materials for fuel cell operating pressure and temperature are also important for PEMFC stack for UAV application.