PEM yakıt pili performansının Taguchi metodu ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile optimizasyonu
Optimization of a PEM fuel cell performance by the Taguchi method and computational fluid dynamics
Yazar: ELİF KAYA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ KEMAL FÜRKAN SÖKMEN
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Sistemleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Güç yoğunluğu = Power density ; Taguchi yöntemi = Taguchi method ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Dünya gezegeni varolduğu günden buyana tüketim ve üretimi içinde barındıran bir sirkülasyona ev sahipliği yapmıştır. Temelde söz konusu olan başlıca gereksinim enerji ihtiyacını en verimli şekilde karşılamaktır. Bu ihtiyaçlar doğrultusunda enerji sistemlerinin önde gelen ekipmanlarından olan yakıt pilleri gün geçtikçe çeşitlenmiştir. Proton değişimli membran (PEM) yakıt pili temelde hidrojen ve oksijenin elektrokimyasal reaksiyonu ile oluşan kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çeviren bir sisteme sahiptir. PEM yakıt pili, diğer yakıt pillerine göre yüksek güç yoğunluğuna sahip olması, düşük sıcaklık seviyelerinde çalışması, hızlı ve sessiz olması gibi önemli avantajlara sahip olup özellikle taşımacılık sektörü ve roket sanayi olmak üzere birçok alanda rağbet görmektedir. Yapılmış olan tezde hedef yakıt pili performansını Taguchi metodu ile optimize ederek güç yoğunluğunu artımaktır. Bu doğrultuda Comsol Multiphysics 5.4 yazılımının Yakıt Pilleri & Bataryalar modulünde hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizi ile Ubong vd. ait deneysel çalışma simülasyonda doğrulanmış olup Ji vd. makalesinde kullanılan geometrik özellikler referans alınmıştır. Üç boyutlu olarak modellenen PEM yakıt pilinin mesh sayısından bağımsızlık saptaması yapılmıştır. Yakıt pili güç yoğunluğunu artırmak için optimizasyonu yapılacak altı farklı parametre hidojen ve oksijen giriş hızları, gaz difüzyon tabakası (GDT) kalınlığı, membran kalınlığı, anot ve katot elektrot kalınlıkları olarak belirlenmiş ve her parametreye ait üç farklı seviye seçilmiştir. Taguchi optimizasyon yöntemi için kullanılan Minitab yazılımında L27 ortogonal dizaynı oluşturulmuştur. Bu dizayna göre 27 farklı analiz Comsol yazılımında gerçekleştirilmiştir ve her birinden elde edilen maksimum güç yoğunluğu hesaplanmıştır. Minitab yazılımından elde edilen S/N oranları doğrultusunda optimum dizayn A3B3C1D1E3F3 olup güç yoğunluğu değeri 0,501 W/cm2 'dir. Optimizasyon öncesi 0,44192 W/cm2 olan güç yoğunluğunun %13,37 oranında artırılması sağlanmıştır. 27 farklı dizayn ile ulaşılan güç yoğunluğu sonuçları ile birlikte performansa en fazla etki eden parametreler bulunup regresyon ve varyans analizi yapılmıştır. Yakıt pili performansına en fazla etki %82,81 ile membran kalınlığına bağlı iken ikinci sırada ise %5,8 ile GDT kalınlığı gelmektedir. Membran kalınlığının etkisi yüzde olarak oldukça büyük bir paya sahip olduğu için diğer parametrelerin oranları düşük kalmış olup hidrojen giriş hızı %0,0004 ile neredeyse etkisi yok denecek bir orana sahiptir. Oluşturulan regresyon denklemi kullanılarak L27 ortogonal dizaynı için tahmin edilen güç yoğunluğu değerleri ile sayısal analiz sonuçları arasında ortalama sapmanın %0,56 olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
The planet Earth has hosted a circulation that includes consumption and production since its existence. Basically, the main requirement is to meet the energy needs in the most efficient way. In line with these needs, fuel cells, one of the leading equipment in energy systems, have diversified day by day. The proton exchange membrane (PEM) fuel cell basically has a system that converts the chemical energy formed by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen into electrical energy. PEM fuel cells have important advantages such as high power density, low temperature, fast and quiet operation compared to other fuel cells, and they are in demand in many fields, especially in the transportation sector and rocket industry. The aim of the thesis is to increase the power density by optimizing the fuel cell performance with the Taguchi method. Accordingly, computational fluid dynamics analysis in the Fuel Cells & Batteries module of Comsol Multiphysics 5.4 software and Ubong et al. Experimental work has been validated in simulation, and Ji et al. Geometric features used in the article were taken as references. A determination of independence from the number of mesh was made for the PEM fuel cell modeled in three dimensions. In order to increase the fuel cell power density, six different parameters to be optimized were determined as hydrogen and oxygen entry rates, gas diffusion layer thickness, membrane thickness, anode and cathode electrode thicknesses and three different levels for each parameter were selected. The L27 orthogonal design was created in Minitab software and used for the Taguchi optimization method. For this design, 27 different analyses were performed in Comsol software and the maximum power density obtained from each was calculated. In line with the S/N ratios obtained from the Minitab software, the optimum design is A3B3C1D1E3F3 and the power density value is 0.501 W/cm2. The power density, which was 0.441 W/cm2 before optimization, was increased by 13.37%. Along with the power density results achieved with 27 different designs, the parameters that affect the performance the most were found, and regression and variance analysis were performed. While the biggest effect on fuel cell performance is related to membrane thickness, with 82.81%, GDT thickness comes second with 5.8%. Since the effect of membrane thickness has a large share in percent, the ratios of other parameters have remained low, and the hydrogen inlet rate had almost no effect at 0.0004%. Using the created regression equation, it was observed that the average deviation between the predicted power density values for the L27 orthogonal design and the numerical analysis results was 0.56%.