Elektrikli araçlarda kullanılan PEM yakıt pillerinin performansı üzerine farklı akış kanallarının etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of different flow channels on the performance of PEM fuel cells used in electric vehicles
Yazar: MUSTAFA YILMAZ
Danışman: PROF. DR. HANBEY HAZAR
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Taşıt Dinamiği ve Kontrol Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Hidrojen enerjisi = Hydrogen energy

Özet:
Enerji, insanoğlunun temel ihtiyaçlarının başında gelmektedir. Fosil yakıtlar ise günümüze kadar bu ihtiyacı karşılamada başvurulan birincil kaynak olmuştur. Ancak fosil yakıtların yoğun kullanımı, zamanla önemli küresel problemleri de beraberinde getirmiştir. Birçok araştırmacı, küresel sorunların çözümü yolunda hidrojen enerjisi ve yakıt hücresi teknolojilerinin kullanımını önermektedir. Hidrojen çok temiz ve verimli bir yakıttır, farklı yollarla üretilebilir, depolanabilir, taşınabilir ve yakıt hücreleriyle kullanılabilir enerjiye, ısıya ve elektriğe dönüştürülebilir. Yakıt hücreleri, hidrojeni kullanarak basit bir hücre üzerinde doğrudan elektrik enerjisi üretmektedir. Yakıt hücrelerinin kullanımının yaygınlaşması da temel olarak tasarımsal ve yapısal özelliklerinin geliştirilmesine bağlıdır. Yapılan çalışmalarda, bipolar plakaların tasarımsal özelliklerin geliştirilmesiyle yakıt hücresi elektriksel performansının %50'ye kadar arttırabildiği görülmüştür.
Bu çalışmada, literatürdeki geliştirme konularından yola çıkarak PEM yakıt hücreleri için farklı akış alanı desen tasarımları geliştirilmiş ve bunların yakıt hücresi performansına olan etkileri sayısal ve deneysel olarak araştırılmıştır. Tamamı özgün 5 yeni akış alanı desen tasarımı 50 cm2 aktif alanda üç boyutlu olarak modellenmiş ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) yöntemiyle analiz edilmiştir. Simulasyon sonuçları ısı ve sıcaklık dağılımları, basınç dağılımları, kütle dağılımları, sıvı su etkinlikleri ve akım dağılımları kapsamında toplamda 10 parametreden oluşan görüntü ve tablo değerleri üzerinden incelenmiş, ayrıca akım ve güç yoğunluğunu gösteren polarizasyon grafiklerinden karşılaştırılmıştır. Sayısal sonuçlara göre, yüksek güç yoğunluğu gösteren tasarımın kanal ölçülerinde değişiklikler yapılarak yeniden analizleri yapılmıştır. Böylece, karşılaştırılan serpantin tasarımı dâhil toplamda 12 adet akış alanının analizleri sonucunda en yüksek performansa sahip tasarım belirlenmiştir. Sayısal çalışmanın doğrulanması için bu tasarımın üretimi yapılmış ve deneysel testleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın sonucunda deneysel sonuçların sayısal analizler ile uyum içerisinde olduğu görülmüştür.

Abstract:
Energy is one of the basic needs of human beings. The fossil fuels have been the primary source used to meet this need until today. However, the intensive use of fossil fuels has brought important global problems over time. Many researchers suggest the use of hydrogen energy and fuel cell technologies in solving global problems. Hydrogen is a very clean and efficient fuel, it can be produced, stored, transported in different ways and converted into usable energy, heat and electricity with fuel cells. The fuel cells directly produce electrical energy using hydrogen on a simple cell. The widespread use of fuel cells mainly depends on the development of their design and structural features. It has been observed in the studies that the electrical performance of the fuel cells can be increased up to 50% by improving its design properties of bipolar plates.
In this study, based on the development issues in the literature, different flow field pattern designs were developed for PEM fuel cells and their effects on fuel cell performance were investigated numerically and experimentally. 5 new flow field pattern designs, all unique, were modeled in three dimensions in an active area of 50 cm2 and analyzed using the computational fluid dynamics (CFD) method. The simulation results were analyzed through image and table values consisting of 10 parameters in total within the scope of heat and temperature distributions, pressure distributions, mass distributions, liquid water activities and current distributions, and also compared from polarization curve showing the current and power density. According to the numerical results, the channel dimensions of the design, which showed high power density between the models, were analyzed again by making changes. Thus, the highest performance design was determined by analyzing a total of 12 flow areas, including the compared serpentine design. This design was produced and experimentally tested to verify the numerical study. At the end of the study, it was seen that the experimental results were in consistency with the numerical analysis.