Uzay uygulamalarına yönelik proton değişim membranlı yakıt hücreleri sıvı soğutma akış alanının tasarımı ve termal analizi
Liquid cooling flow field design and thermal analysis of proton exchange membrane fuel cell for space applications
Yazar: NEHİR ATASAY
Danışman: DOÇ. DR. ALPASLAN ATMANLI
Milli Savunma Üniversitesi / Alparslan Savunma Bilimleri Enstitüsü / Harp Silah ve Araçları Anabilim Dalı / Silah Sistemleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies
Dizin: Hidrojen enerjisi = Hydrogen energy ; Matematiksel modelleme = Mathematical modelling ; Proton değişimi = Proton exchange ; Sıvı yakıtlar = Liquid fuels ; Uzay araçları = Spacecrafts ; Uzay sistemleri = Space systems ; Yakıt hücreleri = Fuel cells ; Yakıt sistemleri = Fuel systems ; Yakıtlar = Fuels

Özet:
PEM yakıt hücresi; yüksek enerji yoğunluğuna sahip olması, verimliliği, hafifliği ve enerjiyi depolamak yerine doğrudan üretebilmesi gibi birçok özelliğiyle gelecek vaat eden bir teknoloji olmaktadır. PEM yakıt hücreleri; mobil taşıtlar, askeri uygulamalar, taşınabilir sistemler, sabit sistemler, deniz ve uzay gibi havadan bağımsız tahrik sistemleri olmak üzere birçok alanda kullanılmaktadır. Bu çalışmada, uzay uygulamalarına yönelik olarak PEM yakıt hücresi soğutma akış kanalı tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan soğutucu akış kanalının, PEM yakıt hücresi sıcaklık dağılımına etkisi araştırılmıştır. PEM yakıt hücresi elemanları SOLIDWORKS programı kullanılarak tasarlanmış ve modellenmiştir. Tasarlanan PEM yakıt hücresi modeli ANSYS programına aktarılarak montaj işlemi ve ANSYS PEM Add-on Module kullanılarak akış ve termal analizi gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma için beş farklı PEM yakıt hücresi soğutma kanalı tasarlanmış ve analiz sonuçlarına göre optimum soğutma kanalı tasarımı seçilmiştir. PEM yakıt hücresi modellenirken; uzay ortamı çalışma koşulları, saf reaktif beslemesi (oksijen ve hidrojen), membranda gerçekleşen elektrokimyasal reaksiyon, sıvı soğutucu fiziksel özellikleri, yakıt hücresi elemanlarının fiziksel özellikleri ve yakıt hücresinde gerçekleşen ısı transferi kriterleri dikkate alınmıştır. Yapılan termal analiz sonucu elde edilen sıcaklık dağılımı incelenmiş ve PEM yakıt hücresi soğutma kanalı tasarımının, PEM yakıt hücresinin çalışma sıcaklığını koruyabilmesinde başarıya ulaştığı tespit edilmiştir. Elde edilen verilere göre analiz sonuçları değerlendirilmiş ve ileride yapılacak benzer araştırmalar için geliştirilmesi gereken çalışma konuları belirtilmiştir.

Abstract:
PEM fuel cell is a promising technology with many features such as having high energy density, efficiency, lightness and producing energy directly instead of storing it. PEM fuel cells is used in many areas such as mobile vehicles, military applications, portable systems, stationary systems, air-independent propulsion systems such as sea and space. In this study, PEM fuel cell cooling flow channel design was carried out for space applications. The effect of the designed coolant flow channel on the PEM fuel cell temperature distribution was investigated. PEM fuel cell elements were designed and modeled using the SOLIDWORKS program. The designed PEM fuel cell model was transferred to the ANSYS program and the assembly process and flow and thermal analysis were performed using the ANSYS PEM Add-on Module. For this study, five different PEM fuel cell cooling channels were designed and the most suitable cooling channel design was selected according to the analysis results. While modeling the PEM fuel cell; Space environment operating conditions, pure reactants supply (oxygen and hydrogen), electrochemical reaction in the membrane, physical properties of liquid coolant, physical properties of fuel cell elements and heat transfer in the fuel cell are taken into account. The temperature distribution obtained as a result of the thermal analysis was examined and it was seen that the PEM fuel cell cooling channel design was successful in maintaining the operating temperature of the PEM fuel cell. According to the data obtained, the results of the analysis were evaluated and the parts that should be developed for similar studies in the future were specified.