PEM yakıt hücrelerinde su ve ısı yönetimine yönelik biyo esinlenmeli kanal tasarımı ve optimizasyonu
Bio inspired channel design and optimization intended for water and heat management in PEM fuel cells
Yazar: ERMAN ÇELİK
Danışman: PROF. DR. İRFAN KARAGÖZ
Bursa Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Enerji = Energy ; Hidrojen = Hydrogen ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Hidrojenin elektrokimyasal reaksiyonlar sonucu elektrik enerjisine dönüştürülmesinde Proton Değişim Membranlı (PEM) yakıt pilleri; düşük çalışma sıcaklığı, hızlı devreye girme, yüksek güç yoğunluğu gibi özellikleriyle özellikle mobil sistemler için ideal bir enerji dönüşüm sistemi olarak ortaya çıkmaktadır. Buna karşın PEM yakıt pilleri; su akıntısı, kuruma, kurumaya bağlı aşırı sıcaklık bölgelerinin oluşması gibi olumsuz sonuçlar yönünden güçlendirilmeye muhtaçtır. Bu tez kapsamında, biyolojik yapıların geometrik özelliklerinden ve canlıların değişken koşullar karşısında geliştirdikleri adaptasyonlardan yararlanarak geliştirilen biyo esinlenmeli akış alanları ile bu problemlerin çözülmesi amaçlanmıştır.
Bu tez kapsamında üç yeni akış alanı geliştirilmiştir. Bunlar memelilerin dolaşım sistemlerinin hipoksi altındaki reflekslerinden yola çıkarak geliştirilen ara rezervuarlı, ara beslemeli akış alanları ve arıların bal peteklerinin şeklinden esinlenilerek geliştirilen bal peteği akış alanıdır. Ayrıca dört kanallı serpantin akış alanı farklı sıcaklık ve basınç etkileri altında referans olarak test edilmiştir.  Ara beslemeli akış alanında reaktant besleme noktaları ve besleme oranları değişken kabul edilip optimum operasyon koşullarının deneysel olarak belirlenmesi sağlanmıştır. Elde edilen sonuçların açıklanmasında ihtiyaç duyulan noktalarda Ansys Fluent PEM Fuel Cell modülü ile yapılan sayısal analizlerden yararlanılmıştır.  
Çalışma sonunda ara rezervuarlı akış alanının dört kanallı serpantin akış alanına göre yaklaşık %10 oranında daha yüksek güç yoğunluğuna sahip olduğu tespit edilmiştir. Ara beslemeli akış alanlarında besleme oranlarının anot ve katot tarafında simetrik veya asimetrik yapılması arasında sürekli üstünlük gösteren bir korelasyon bulunmamaktadır.  Çıkışa en yakın giriş portundan yapılan ara besleme debisinin yükselmesi güç çıkışının zayıflamasına neden olmuştur. Yeni tasarlanan akış alanları içinde en yüksek performansı doğru akışlı bal peteği akış alanının gösterdiği tespit edilmiştir.

Abstract:
In the conversion of hydrogen into electrical energy as result of electrochemical reactions, Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells emerges as an ideal energy conversion system especially for mobile systems with its low operating temperature, rapid startup and high power density features. However, PEM fuel cells need to be strengthened in terms of negative consequences such as flooding, drying and hotspot formation. Within the scope of this thesis, it is aimed to solve these problems with bio-inspired flow fields developed by taking advantage of the geometric properties of biological structures and the adaptations of livivg things.
Three new flow field patterns have been developed. These are intermediate reservoir and intermediate feeding flow fields developed based on the reflexes of mammalian circulatory systems under hypoxia and the honeycomb flow area, which is inspired by the shape of the honeycombs of bees. Additionally, four-channel serpentine flow field was tested under different temperature and pressure effects as a reference. In intermediary feeding flow field, the reactant feed points and feed rates were accepted as variable and the optimum operating conditions were determined experimentally. While explaining the results, numerical analysis made with Ansys Fluent PEM Fuel Cell module were used if needed.
It was determined that intermediate reservoir flow field has 10% higher power density than four-channel serpentine flow field. The symmetrical or asymmetric feeding from anode and cathode doesn't correspond to a correlation which one of them leading maximum performance permanently. Application of feed rates both on anode and cathode provided higher power density than the asymmetric feeding in intermediate feeding. Honeycomb flow area with direct flow has the highest performance among all.