Akış alanlarının polimer elektrolit membran yakıt hücreleri (PEMFC) performansı üzerindeki etkisi
Effect of flow fields on the performance of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC)
Yazar: ŞEVVAL ÖZTÜRK
Danışman: DOÇ. DR. ERTUĞRUL ERKOÇ
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Günden güne ilerleyen teknolojik gelişmeler, sanayileşme sürecinin getirdiği yenilikler ve nüfus yoğunluğundaki artış ile birlikte enerji kaynakları yetersiz kalmaya başlamıştır. Azalan fosil kaynaklara alternatif enerji çeşitleri arayışı ile birlikte yakıt hücreleri için yapılan çalışmalar yıllar içerisinde artış göstermektedir. Temiz, çevre dostu ve sürdürülebilir bir enerji kaynağı olan yakıt hücreleri kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik veya ısıya dönüştürebilen sistemlerdir. Çalışma prensibi değerlendirildiğinde bir pil gibi çalışmasının yanında sisteme oksijen beslemesi yapıldığı takdirde geleneksel piller gibi şarj ihtiyacı duymamaktadır. Yakıt pillerinin çalışma performansını etkileyen basınç ve sıcaklık gibi çalışma parametreleri ile birlikte hücre içerisindeki bileşenleri geometrik özellikleri de doğrudan pil performansına etki etmektedir. Bu çalışma ile yakıt hücresinin bileşenlerinden olan bipolar tabaka üzerinde yer alan akış kanallarının pil performansına etkileri incelenmiştir. Çalışmada, Ansys Fluent programı kullanılarak sayısal analizler gerçekleştirilmiştir. Paralel akış kanallı, ağ yapılı akış kanalı ve serpantin akış kanallı tasarımlar, 2 atm ve 70℃ sıcaklıkta çalışma parametreleri için hücrede basınç dağılımı, sıcaklık dağılımı, akım yoğunluğu, hız dağılımı ve bileşenlerin dağılımı gibi özellikler karşılaştırılmıştır. Bunların yanı sıra farklı hücre voltajları (0,4V, 0,5V, 0,6V, 0,7V, 0,8V ve 0,9V) için analizler gerçekleştirilerek polarizasyon eğrileri elde edilmiştir. Bu eğriler değerlendirildiğinde serpantin kanal tasarımına sahip hücrenin daha yüksek akım yoğunluğuna sahip olduğu görülmüştür. İncelenen diğer parametreler için ise her tasarımın birbirlerine göre üstün olduğu özellikler değerlendirilmiştir.

Abstract:
With the technological developments that progress day by day, the innovations brought by the industrialization process and the increase in population density, energy resources have become insufficient. With the search for alternative energy types to decreasing fossil resources, studies on fuel cells have increased over the years. Fuel cells, a clean, environmentally friendly and sustainable energy source, are systems that can convert chemical energy directly into electricity or heat. Considering its working principle, it works like a battery and does not need charging like traditional batteries if oxygen is supplied to the system. Along with the operating parameters such as pressure and temperature that affect the operating performance of fuel cells, the geometric properties of the components inside the cell also directly affect the battery performance. In this study, the effects of flow channels on the bipolar layer, one of the components of the fuel cell, on battery performance were examined. Numerical analyzes were carried out in the study using the Ansys Fluent program. Features such as pressure distribution in the cell, temperature distribution, current density, velocity distribution and distribution of components for parallel flow channel, mesh flow channel and serpentine flow channel designs were compared for operating parameters at 2 atm and 70℃. In addition, polarization curves were obtained by performing analyzes for different cell voltages (0.4V, 0.5V, 0.6V, 0.7V, 0.8V and 0.9V). When these curves were evaluated, it was seen that the cell with the serpentine channel design had a higher current density. For the other parameters examined, the features that make each design superior to each other were evaluated.