PBI esaslı PEM yakıt hücresinde işletme parametrelerinin değişken akım yoğunluğuna etkisinin sayısal ve deneysel incelenmesi
Numerical and experimental investigation of the effects of operating parameters on the exchange current density in a PBI based PEM fuel cell
Yazar: MURAT ÇELİK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. GÜLŞAH ÖZIŞIK
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu tez çalışmasında, polibenzimidazol (PBI) esaslı bir polimer elektrolit membrana sahip yüksek sıcaklıkta çalışan PEM tipi yakıt hücresinin değişken akım yoğunluğu parametresine sıcaklık, bağıl nem ve asit katkısı seviyesi parametrelerinin etkisi incelenmiştir. Bu kapsamda yakıt hücresi, çeşitli koşullarda test edilerek bu koşulların değişken akım yoğunluğu üzerindeki etkisi açıklanmıştır. 6 farklı asit katkısı seviyesine (4.26, 4.53, 4.95, 5.51, 7.24, 7.51) sahip membranlar yakıt hücresi test istasyonunda 4 farklı sıcaklıkta (120oC, 130oC, 140oC, 150oC) ve 5 farklı bağıl nem seviyesinde (nemsiz, %5, %10, %15, %20) test edilmiş, bu koşullarda elde edilen polarizasyon eğrileri matematiksel bir modelde analiz edilerek değişken akım yoğunluğu değerleri hesaplanmış, daha sonra değişken akım yoğunluğu değerlerinin sıcaklık, bağıl nem ve asit katkısı seviyesi parametrelerine göre değişimi iki adet yeni denklemle ifade edilmiştir. Ayrıca deneysel sistemde kullanılan yakıt hücresinin 2 boyutlu sayısal modellemesi yapılmış,  hesaplanan değişken akım yoğunluğu değerleri modele entegre edilerek sayısal ve deneysel sonuçlar mukayese edilmiştir. Sonuç olarak bağıl nemin nemsiz durumdan %10 aralığına kadar artmasıyla değişken akım yoğunluğunun düştüğü, %10 ve %20 bağıl nem aralığında ise büyük bir etkisinin olmadığı saptanmıştır. Tüm asit katkısı seviyelerinde ortak bir davranış görülmemekle birlikte, genel olarak sıcaklık 130oC iken en yüksek değişken akım yoğunluğu değerlerine ulaşıldığı görülmüştür.

Abstract:
In this thesis, effects of the parameters such as temperature, relative humidity and acid doping level on the exchange current density of a polybenzimidazole (PBI) based high temperature proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). A PEM fuel cell was tested in various conditions to determine their effects on the exchange current density. Membranes with 6 different acid doping levels (4.26, 4.53, 4.95, 5.51, 7.24, 7.51) were tested in 4 different temperatures 120oC, 130oC, 140oC, 150oC) and 5 different relative humidity levels (dry, %5, %10, %15, %20), the performance was analyzed within a mathematical model to calculate exchange current density, then the relationship between exchange current density and temperature, relative humidity and acid doping level was expressed with two new equations. Furthermore, the fuel cell used in the experimental set up was modelled numerically in 2-D and calculated exchange current density values were integrated into the model in order to compare modeling and experimental results. Consequently, it was found that exchange current density decreases when relative humidity increases from 0% to 10%, whereas no considerable effect was observed in the range of 10% to 20%. Although a common behavior was not observed in all acid doping levels, exchange current density levels reach maximum values at a temperature of 130oC.