Farklı interkonnektör tasarımı ve çalışma sıcaklıkları için düzlemsel katı oksit yakıt hücresinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the different interconnector design and operating temperatures on a planar solid oxide fuel cell
Yazar: SÜLEYMAN ALTINDAL
Danışman: DOÇ. DR. BARIŞ GÜREL
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Yakıt hücreleri, geleneksel kömürle çalışan enerji santralleri ve içten yanmalı motorlara dayalı elektrik jeneratörlerine kıyasla daha yüksek elektrik dönüşüm verimliliği sağlayabilir. Ek olarak, yüksek verimli katı oksit yakıt hücreleri (KOYH), yüksek sıcaklıkta çalışmaları sonucunda diğer yakıt hücrelerine kıyasla iki özel avantaja sahiptir. Birincisi, KOYH'ler hidrojenden CO ve hidrokarbonlara kadar geniş bir yakıt yelpazesiyle çalışabilir. İkincisi, KOYH'ler, kombine ısı ve güç sistemlerinde değerlendirilebilecek önemli miktarda atık ısı üretirler. Ayrıca, KOYH'ler sessiz ve titreşimsiz bir işleyişe sahiptir, böylece enerji üretim sistemleriyle genellikle ilişkilendirilen gürültüyü ortadan kaldırır. Bu yakıt hücreleri ayrıca çok düşük ya da hiç SO2 ve NO emisyonu üretmezler.  Katı oksit yakıt hücreleri (KOYH), geniş kapsamlı uygulama alanlarına sahiptir ve bu, onları sürdürülebilir enerji teknolojilerinin önemli bir bileşeni haline getirir. Bunlardan birisi KOYH-Biyokütle hibrit sistemidir. Çeşitli atıklardan elde edilen biyokütle, umut verici bir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Biyogazın doğrudan KOYH'nin yakıtı olarak kullanılabilmesi, biyogazın hidrojen gazına arıtılma ihtiyacını ortadan kaldırır.
Bu araştırmada, çeşitli bağlantı elemanı tasarımlarıyla donatılmış bir planar KOYH'nin performansı, farklı işletme sıcaklıklarında sayısal olarak değerlendirilmiştir. Bağlantı geometrileri, anot ve katot malzemeleri, işletme sıcaklıkları ve akış hızları gibi çoklu parametreler göz önünde bulundurulmuştur. 
KOYH'lerin sayısal modellemesi, hücre performansının iyileştirilmesi açısından hayati önem taşımaktadır. Bu tür modellemeler, hücrenin şematik gösterimi ile birlikte, hava ve egzoz gazlarının hücre içerisindeki hareket dinamiklerini de kapsar. Sayısal analizlerde farklı anot ve katot akış kanalı geometrileri, akış debileri, anot ve katot malzemeleri ve farklı sıcaklıklar açısından yakıt hücresinin elektriksel performansı incelenmiştir. KOYH performansını değerlendirmek için Nernst denklemi kullanılmıştır. Ayrıca sayısal analizlerde doğruluğu arttırmak için sayısal ağ yapısı bağımsızlık analizi yapılmış ve en uygun sayısal ağ eleman sayısı belirlenmiştir. Sayısal analizler sonucunda ortalama akım yoğunluğu ve ortalama yakıt hücresi gücü voltaja bağlı olarak elde edilmiş ve sonuçlar yorumlanmıştır.

 Sonuç olarak, yatay sinüzoidal akış kanalı geometrisi, 600 °C işletme sıcaklığı, 86.5 SCCM/dakika hidrojen gazı akış hızı ve 28.75 SCCM/dakika oksijen gazı akış hızı, NiO anot malzemesi ve LSCF katot malzemesi, enerji ve akım yoğunluğu açısından en yüksek performansı sağlamıştır.

Abstract:
Fuel cells offer a higher electrical conversion efficiency compared to traditional coal-based power plants and generators reliant on internal combustion engines. Notably, high-efficiency solid oxide fuel cells (SOFCs) have two distinctive advantages due to their high-temperature operation compared to other fuel cells. Firstly, SOFCs can operate with a broad spectrum of fuels, ranging from hydrogen to CO and hydrocarbons. Secondly, they produce a significant amount of waste heat, which can be harnessed in combined heat and power systems. Additionally, SOFCs ensure a silent and vibration-free operation, eliminating the noise commonly associated with energy production systems. These cells also emit little to no SO2 and NO emissions. SOFCs have extensive application potentials, marking them as a crucial component of sustainable energy technologies, one being the SOFC-Biomass hybrid system. Biomass derived from various wastes presents a promising renewable energy source. Using biogas directly as fuel for SOFCs eliminates the need for its purification to hydrogen gas.

In this study, the performance of a planar SOFC equipped with various interconnect designs was numerically assessed at different operating temperatures. Multiple parameters such as interconnect geometries, anode and cathode materials, operating temperatures, and flow rates were considered. The numerical modeling of SOFCs is vital for enhancing cell performance. Such modeling encompasses the schematic representation of the cell, along with the dynamics of air and exhaust gases movement within the cell. In the numerical analyses, the electrical performance of the fuel cell was examined in terms of different anode and cathode flow channel geometries, flow rates, anode and cathode materials, and varying temperatures. The Nernst equation was employed to assess the performance of SOFCs. Moreover, to increase the accuracy in numerical analyses, a mesh independence analysis was conducted to determine the optimal numerical grid element count. As a result of the numerical analyses, the average current density and the average fuel cell power relative to voltage were obtained, and the results were interpreted.

In conclusion, a horizontal sinusoidal flow channel geometry, operating temperature of 600 °C, hydrogen gas flow rate of 86.5 SCCM/min, oxygen gas flow rate of 28.75 SCCM/min, NiO anode material, and LSCF cathode material demonstrated the highest performance in terms of energy and current density.