PEM  yakıt hücresi performansı üzerine anizotropik elektriksel iletkenlik ve direnç etkilerinin deneysel ve sayısal araştırılması
Experimental and numerical investigation of anisotropic electrical conductivity and resistance effects on PEM  fuel cell performance
Yazar: MERT TAŞ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ GÜLŞAH ELDEN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu tez çalışmasının amacı, yakıt hücresi çalışma parametrelerinden sıcaklık, bağıl nem ve sıkıştırma basıncının gaz difüzyon tabakası ve mikro-gözenekli gaz difüzyon tabakasının elektriksel iletkenlikleri üzerine etkilerini araştırmaktır. Bu amacı gerçekleştirmek için deneysel bir düzenek kurulmuş ve farklı sıcaklık (50 oC, 60 oC, 70 oC, 80 oC), bağıl nem (%70 BN, %80 BN, %90 BN, %100 BN) ve sıkıştırma basıncı (2 bar, 4 bar, 6 bar, 8 bar) değerleri için tabakalardaki anizotropik elektriksel iletkenlikler ölçülmüştür. Elde edilen sonuçlara göre sıcaklık ve sıkıştırma basıncı arttıkça, her iki difüzyon tabakasının düzlem normalindeki elektriksel iletkenliklerin arttığı ancak düzlem yüzeyindeki iletkenliklerin pek değişmediği görülmüştür. Bağıl nemin değişimi ise her iki difüzyon tabakası için düzlem yüzeyindeki iletkenlikleri daha fazla etkilemiştir.  Ayrıca çalışmada elde edilen elektriksel iletkenlik değerleri, geliştirilen üç boyutlu sayısal modele entegre edilmiştir. Sayısal modelleme ile rib bölgelerindeki akım yoğunluğu, performans analizleri ve anot ile katot gaz difüzyon tabakalarındaki akım yoğunluğu dağılımları incelenmiştir. Hücre çalışma parametrelerinden sıcaklık, sabit bağıl nem ve sıkıştırma basıncı koşullarında artırıldığında, rib bölgelerindeki akım yoğunluğu, tersinmez ısı kayıpları ve hücre performansı artmıştır. Sabit sıcaklık ve sıkıştırma basıncı koşullarında bağıl nem değeri artırıldığında, rib bölgelerindeki akım yoğunluğu, tersinmez ısı kayıpları ve hücre performansı artmıştır. Sabit sıcaklık ve bağıl nem koşullarında sıkıştırma basıncı artırıldığında ise rib bölgelerindeki akım yoğunluğu, tersinmez ısı kayıpları ve hücre performansında kayda değer gelişme görülmemiştir.  

Anahtar Kelimeler: PEM yakıt hücresi, gaz difüzyon tabakası, bağıl nem, sıcaklık, anizotropik direnç ölçümü, anizotropik üç boyutlu modelleme

Abstract:
The purpose of this thesis is to investigate the effects of temperature, relative humidity and clamping pressure on the electrical conductivities of gas diffusion layer and micro-porous diffusion layer. In order to achieve this purpose, an experimental system was constructed and the anisotropic electrical conductivities of the diffusion layers were measured at different temperature (50oC, 60oC, 70oC, 80oC), relative humidity (%70 BN, %80 BN, %90 BN, %100 BN) and clamping pressure (2 bar, 4 bar, 6 bar, 8 bar). According to the obtained experimental results, as the operating temperature and the clamping pressure were increased, through-plane conductivities of both diffusion layers increased. But in-plane conductivities of these layers did not increase in a considerable amount. In-plane conductivities of both diffusion layers were significantly affected by the increment of relative humidity. Furthermore, the obtained electrical conductivity values were integrated into the three-dimensional numerical model. The fuel cell performance, current densities in the rib regions and current density distributions in anode and cathode gas diffusion layers were investigated by using the numerical model. As the operating temperature were increased under constant relative humidity and clamping pressure conditions, the current density at the rib region, irreversible heat losses and cell performance increased. When the relative humidity value was increased under constant temperature and clamping pressure conditions, the current density in the rib region, irreversible heat losses and cell performance increased. Moreover, as the clamping pressure was increased under constant temperature and relative humidity conditions, it was observed that no significant improvement in the current density, irreversible heat losses and cell performance.

Keywords: 	PEM fuel cell, gas diffusion layer, relative humidity, temperature, anisotropic resistance measurement, anisotropic-3D modeling