Birleştirilmiş rejeneratif PEM yakıt hücresi stağı geliştirilmesi
Unitized regenerative PEMfuel cell stack improvement
Yazar: NEBİ YELEGEN
Danışman: PROF. DR. YÜKSEL KAPLAN
Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Sürdürülebilir enerji = Sustainable energy ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy ; Yeşil enerji = Green energy

Özet:
Bu çalışmada, hem elektrolizör hem de yakıt hücresi modunda çalışabilen Birleştirilmiş Rejeneratif Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücresi (BR-PEMYH) deneysel ve teorik olarak incelenmiştir. Teorik çalışmada, BR-PEMYH'de meydana gelen ısı transferi, kütle transferi, akış ve kimyasal reaksiyonlar için 3 boyutlu bir matematiksel model geliştirilmiştir. Proses parametrelerine bağlı olarak iki fazlı akışa geçişi ve fazların davranışlarını içeren model nümerik olarak çözülmüş ve deneysel veriler ile valide edilmiştir. Deneysel çalışmalar kapsamında ise önce 5 cm2 aktif alana sahip hücreler test edilmiş, buradaki optimize edilen sonuçlar kullanılarak endüstriyel boyutlara (100 cm2) taşınmış daha sonra stak haline getirilmiştir. Sistemin performansını arttırmak için optimum akış ve ısı transferi koşulları incelenmiş olup sıcaklığın ve cıvata sayısının diğer proses parametrelerine göre performans üzerine etkisinin önemli olduğu görülmüştür. BR-PEMYH bileşenlerinin malzeme seçimleri, kalınlıkları, sıkıştırma kuvveti, sızdırmazlık elemanları ve kullanılan cıvata sayısı gibi parametreler için optimum koşullar belirlenmiştir. Ticari olarak satın alınan tersinir membran elektrot grubu (MEG) üzerinde yapılan modifikasyon çalışmaları ile 100 cm2'lik tek hücrede elektrolizör modunda %17,13, yakıt hücresi modunda %16,98; stakta ise elektrolizör modunda %16,96, yakıt hücresi modunda ise  %16,81 oranda bir iyileşme elde edilmiştir.

Abstract:
In this study, the Unitized Regenerative PEM Fuel Cell (UR-PEMFC), which can operate in both electrolyzer and fuel cell modes, is investigated experimentally and theoretically. In the theoretical study, a 3D mathematical model has been developed for the heat and mass transfer, flow and chemical reactions occurring in UR-PEMFC. The model, which includes the transition to two-phase flow and the behavior of the phases depending on the process parameters, was solved numerically and validated with experimental data. Within the scope of experimental studies, firstly cells with an active area of 5 cm2 were tested, using the optimized results here, they were transported to industrial sizes (100 cm2) and then turned into a stack. In order to increase the performance of the system, optimum flow and heat transfer conditions have been examined and it has been seen that the effect of temperature and bolt number on performance is significant compared to other process parameters. Optimum parameters were determined such as material selection, thickness, compression force, sealing elements and number of bolts used for UR-PEMFC components. With the modification studies on commercially purchased reversible membran electrode assembly (MEA), 17.13% in the electrolyzer mode and 16.98% in the fuel cell mode in a 100 cm2 single cell; for stack an improvement of 16,96% in the electrolyzer mode and 16,81% in the fuel cell mode was achieved.