Enerji üretim amaçlı teknik tekstil membranlarında transfer olaylarının incelenmesi
Investigation of transfer phenomena in technical textile membranes for energy production
Yazar: FİLİZ GÜNEY
Danışman: DOÇ. DR. İBRAHİM ÜÇGÜL
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında yakıt hücresinde kullanılan, ekonomik maliyeti yüksek olan nafion membranların yerine sülfonlanmış poliamidlerden membranlar deneysel olarak sentezlenmiş ve ayrıca bu membranların yakıt hücresinde kullanılabilirliği teorik olarak ANSYS FLUENT PEM Modülünde incelenmiştir. Elde dilen sonuçlar literatürdeki çalışmalarla karşılaştırılmıştır. 
Sentezlenen Dm-Naf ve Da-NTDA polimerlerinin FT-IR, TGA ve DSC analiz testleri sonucunda kimyasal yapılarına uygun olarak beklenen bölgelerde gerilimler gözlenmiş dolayısıyla nafion membrana alternatif olabilecek aromatik zincir yapısına sahip olduğu görülerek literatürdeki verilerle uyum sağladığı sonucuna varılmıştır. Ancak sınırlı proje imkanlarıyla alınan az miktardaki kimyasal maddeler nedeniyle çok düşük molekül ağırlıklı non-nafion membranlar oluşturulduğundan ve yakıt pili stağının eldeki koşullarla vakumlu olarak tam kapatılamamasından dolayı sağlıklı akım ölçüm değerleri alınamamıştır. Bu nedenle nafion membrana alternatif olarak oluşturulan mebranların PEM yakıt pili performansınına etkisini araştırabilmek adına bir benzetim çalışması yapılması uygun görülmüştür.
Simülasyon için üç boyutlu kararlı halde çalışan serpantin akış kanallı bir PEM yakıt hücre modeli oluşturulmuştur. Analiz için kullanılacak katı model ve sonlu eleman modeli SOLIDWORKS programı kullanılarak hazırlanmıştır. Benzetim sonuçları FLUENT' in PEM Yakıt Hücresi (PEMFC) modülünde çalıştırılarak elde edilmiştir. 
Deneysel çalışmada sentezlenen non-nafion membranlardan Dm-Naf'ın bazı fiziksel özelliklerine literatürde ulaşılamadığı ve eldeki koşullarla ölçülemediği için sadece Da-NTDA homopolimerinin fiziksel özellikleri nafion membranın özellikleriyle karşılaştırılarak sonuçlar değerlendirilmiştir. Sentezlenen Da-NTDA homo-polimerin belirlenen fiziksel özellikleri girilerek elde edilen akım değeri nafion membranın ürettiği akım değeri ile karşılaştırılmış ve nafion membrandan daha yüksek akım ürettiği grafiklerle gösterilmiştir. 
Nafion ve Da-NTDA membranlarının gaz akış kanallarındaki hız dağılımları, gaz debileri, kütle kesri dağılımları, su içeriği değişimleri grafikler halinde incelenmiştir. Ayrıca çalışmada akış kanal geometrisinin PEM yakıt pili performansına etkisini görebilmek adına ANSYS FLUENT'de oluşturulan modeller için hız ve sıcaklık dağılımları da analiz edilmiştir. 
Elde edilen sonuçların yakıt hücresi tasarımını etkileyen, bu tasarımı geliştiren ve performansını optimize eden önemli yönlerini tartışmak için kullanılabileceği ortaya konmuştur. Ayrıca deneysel ve simülasyon sonuçlar sentezlenen alternatif non-nafion membranların gösterdiği performansın nafion membranın yakıt hücresinde ürettiği akım değerlerleri ile benzer özellikler sergilediğini dolayısıyla daha ucuz maliyetlerle üretilebileceğini göstermiştir.

Abstract:
In this thesis, a few membranes which are used in a fuel cell were synthesized by experimentally from sülfonated polyimids instead of nafion membranes having high economical costs and the usability of these membranes in fuel cells were analyzed teorically with ANSYS FLUENT PEM Modul. The results are compared with studies in literature.
As a result of the FT-IR, TGA and DSC analysis tests of synthesized Dm-Naf and Da-NTDA polymers, tensions were observed in the expected regions according to their chemical structures. Therefore it has been concluded that these membranes, which have an aromatic chain structure, will be able to used as an alternative to nafion membranes. However, reliable current measurement values were not obtained
due to the small amount of chemical substances received with limited project possibilities and very low molecular weight non-naphtha membranes formed since the fuel pail could not be completely vacuumed by the available conditions. For this reason, it was approved to conduct a simulation study to investigate the effect of the membranes formed as an alternative to the nafion membrane on the PEM fuel cell performance.
A PEM fuel cell model with a three-dimensional steady-state serpentine flow channel was created for simulation. Solid model and finite element model to be used for analysis are designed with using Solidworks program.  The simulation results are obtained by running on FLUENT's PEM Fuel Cell (PEMFC) module.
Since some physical properties of Dm-Naf from the non-nafion membranes synthesized in the experimental study were not available in the literature and could not be measured by the conditions available, only the physical properties of the Da-NTDA homopolymer were compared with the properties of the nafion membrane and the results were evaluated. The current values obtained by entering the determined physical properties of the synthesized Da-NTDA homo-polymer are compared with the current value produced by the nafion membrane and are shown in graphs that produce higher current than the nafion membrane.
The velocity distributions, gas flows, mass fraction distributions, water content changes in the gas flow channels of nafion and Da-NTDA membranes were examined in the graphs. In addition, velocity and temperature distributions for the models created in ANSYS FLUENT have also been analyzed in order to see the effect of flow channel geometry on PEM fuel cell performance in the study.
It was concluded that  that the results obtained in this study can be used to discuss the important aspects of fuel cell design that improve this design and optimize its performance.  Alao experimental and simulation results showed that the performance of synthesized alternative non-nafion membranes exhibits similar properties to current values produced by the nafion membrane in the fuel cell, and therefore can be produced at lower cost.