Model bir yassı tüp katı oksit yakıt pilinin sayısal simülasyonu
Numerical simulation of a model flat-tubular solid oxide fuel cell
Yazar: FETHİ MUSTAFA ÇİMEN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA İLBAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Yakıt hücreleri, yakıtların kimyasal enerjilerini elektrokimyasal reaksiyonlar ile doğrudan elektrik enerjisine ve ısıya dönüştüren cihazlardır. Mevcut yakıt hücreleri arasında katı oksit yakıt hücreleri değişken çalışma şartlarında göstermiş oldukları yüksek performans ile bir adım öne çıkmaktadır. Katı oksit yakıt hücreleri yüksek çalışma sıcaklığı ve yüksek enerji dönüşüm verimine sahip olması nedeniyle son dönemde yapılan çalışmalarda odak noktası olmuştur. Bu tez çalışmasında sonlu elemanlar yöntemi tabanında düzlemsel, silindirik ve yassı tüp geometrilerinde katı oksit yakıt hücreleri geliştirilmiş ve farklı geometrilerin performans üzerindeki sayısal etkileri araştırılmıştır. Oluşturulan hücre modelleri COMSOL Multiphysics yazılımı ile farklı basınç ve sıcaklıklarda analiz edilerek sonuçlar güç ve polarizasyon eğrilerini gösteren grafikler ile ifade edilmiştir. Yassı tüp katı oksit yakıt pilinin, 0,75 V hücre giriş voltajında, 800 °C ve 1 atm çalışma şartlarında hücre voltajı ve ortalama hücre güç değeri incelenmiştir. Hücre voltajında sıfırlanma, 2 150 A/m2'de gerçekleşmiştir. Ayrıca, maksimum güç değeri yassı tüp için 1 170 A/m2'de 470 W/m2 olarak elde edilmiştir. Sonuçlar yassı tüp katı oksit yakıt hücrelerinin birçok açıdan avantajlı olduğunu göstermiştir. Değişen şartlar altındaki yüksek performans değerleri ve sızdırmazlık özellikleri nedeniyle yassı tüp katı oksit yakıt hücresi son dönemde yapılan çalışmaların odak noktası olmuştur.

Abstract:
Fuel cells are devices that convert the chemical energy of fuels directly into electrical energy and heat through electrochemical reactions. Among the existing fuel cells, solid oxide fuel cells stand out with their high performance under variable operating conditions. Solid oxide fuel cells have been the focus of recent studies due to their high operating temperature and high energy conversion efficiency. In this thesis, solid oxide fuel cells were developed in planar, cylindrical and flat tube geometries based on finite element method and the numerical effects of different geometries on performance were investigated. The generated cell models were analyzed with COMSOL Multiphysics software at different pressures and temperatures, and the results were expressed with graphics showing power and polarization curves. The cell voltage and average cell power value of flat tubular solid oxide fuel cell was analyzed at 0,75 V cell input voltage, 800 °C and 1 atm operating conditions. The cell voltage reached minimum value at 2 150 A/m2 for flat tubular geometry. In addition, the maximum power value was obtained as 470 W/m2 at 1 170 A/m2  for flat tubular solid oxide fuel cell. The results showed that flat tube solid oxide fuel cells are advantageous in many aspects. The flat tubular solid oxide fuel cell has been the focal point of the recent studies due to its high performance values and sealing properties under changing conditions.