Katı oksit yakıt pillerinde işletme parametrelerinin pil performansına etkilerinin incelenmesi
Experimental and theoretical investigation of 
heat and water management in solide oxide fuel 
cells
Yazar: İSMET TIKIZ
Danışman: DOÇ. DR. İMDAT TAYMAZ
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde fosil yakıtlar yerine alternatif olarak geliştirilen enerji kaynaklarından bir tanesi de yakıt pilleridir. Tezin konusu olarak, önemli yakıt pili çeşitlerinden bir tanesi olan düzlemsel çapraz akışlı tip incelenmiş ve ısı yönetimi ile optimizasyonunun yapılması ele alınmıştır. Çalışma; deneysel ve 3 boyutlu bilgisayar destekli modelleme olmak üzere iki kısımdan meydana gelmektedir. Bilgisayar destekli modelleme, deneysel çalışma şartlarının belirlenmesinde önemli bir etkendir. Modellemedeki parametrelerin sayısının belirlenmesinde Design Expert 7.0 yazılımından yararlanılmıştır. Böylelikle deneysel çalışmadaki yüksek maliyetin azalması sağlanmış olacaktır.

Katı Oksit Yakıt Pili  (KOYP)'nin 3 boyutlu modellemesinde ticari bir yazılım olan Ansys Fluent yazılımı kullanılmıştır. Yazılım, içerisinde KOYP için ayrı bir modül içermekte olup hesaplamalı akışkanlar dinamiği uygulamaları için olanak sağlamaktadır. Elde edilen sınır ve çalışma şartları, deneysel çalışma koşullarının hazırlanmasında kullanılmıştır. 

Deneysel çalışmada reaktan olarak hidrojen, oksijen ve azot gazları 0,12-2 L/dk değerleri arasında değişen farklı hacimsel debilerde incelenmiştir. Diğer taraftan,  KOYP hücre sıcaklığı ise 700-800 oC değerleri arasında değişmektedir. Bu çalışmada, kullanılan farklı parametrelerin hücre performansına olan etkileri ele alınmıştır.

Yapılan çalışmalar sonucunda, hücre sıcaklığı ve hidrojen akış oranı, KOYP'lerin güç yoğunluğunu etkileyen temel faktörler olduğu görülmüştür. Maksimum güç yoğunluğu, hidrojen hacimsel debisi 0,96 L/dk, oksijen hacimsel debisi 0,98 L/dk ve hücre sıcaklığı 772,57 oC değerlerine ulaştığında elde edilmiş olup, 573,43 mW/cm2 olarak tespit edilmiştir. 

Bu çalışma ile KOYP'nin performansını etkileyen en önemli parametrelerin; hücre geometrisi ve sıcaklığı, reaktan türleri ve hacimsel debileri ile elektrolit malzemesi olduğu öngörülmektedir. Önümüzdeki çalışmalarda bu parametreler üzerinde gerçekleştirilecek araştırmaların KOYP performansını arttırıcı yönde katkıda bulunulacağı tavsiye edilmektedir.

Anahtar kelimeler: Katı oksit yakıt pilleri, Elektrolit, Seramik

Abstract:
Nowadays fuel cells are one of an alternative energy source that was developed instead of fossil fuels. This thesis are consist of a planar and cross-flow type fuel cells which is one of important fuel cells and examined thermal management for optimization. The study including two parts: experimental and three-dimensional computer-aided modeling. Computer-aided modeling is an important factor in determining the experimental conditions. In determining the number of modeling parameters were utilized with Design Expert 7.0 software. Thus, the high cost will be achieved by a reduction in the experimental works.

In Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) 's 3D modeling was used a commercial software which is Ansys Fluent software. SOFC comprise a separate module in the software allows for computational fluid dynamics applications. The resulting of boundary and operating conditions were used in the preparation of experimental conditions.

In the experimental study of as reactants; hydrogen, oxygen and nitrogen are between 0.12 and 2 L/min values were examined at different volumetric flow rates ranging. On the other hand, SOFC cell temperature is changing from 700 to 800 oC. In this study, the effects of different parameters on the performance of cells used are considered.

As a result of these studies, cell temperature and hydrogen flow rate was found to be major factors affecting on the power density of SOFC. Maximum power density was determined 573.43 mW/cm2 when hydrogen volumetric flow is 0.96 L/min, oxygen volumetric flow rate is 0.98 L/min and the cell temperature is 772.57 °C.

In this study, Most important parameters is that affecting on the performance of SOFC of this work are cell geometry and temperature, reactant species and their volumetric flow rates and electrolyte materials. Future researchs will be carried out on these parameters in the coming SOFC performance enhancer is recommended to contribute in that direction.

Keywords: solid oxide fuel cell, electrolyte Ceramic