Akış kanal tasarımının polimer elektrolit membran yakıt hücresi performansına etkisinin incelenmesi
Effect of flow field design to the performance of PEM fuel cell
Yazar: HÜSEYİN KAHRAMAN
Danışman: PROF. DR. İSMET ÇEVİK
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışmada 50cm2 elektrot yüzeyine sahip PEM tipi yakıt hücresinde, aktif alan üzerindeki akım dağılımının homojen olmasını sağlayacak ve hücre içinde elektrokimyasal reaksiyon sonucunda üretilen sıvı suyun tahliyesini etkin bir şekilde gerçekleştirecek akış kanalı tasarımları yapılmıştır. Tasarım yapılırken doğada bulunan bitki yaprak damarlarının profillerinden esinlenilmiştir. Ayrıca su tahliyesini daha etkin bir şekilde sağlamak amacıyla kanalların içine engelleyici bloklar uygulanmıştır. Akış kanal profilleri grafit akım toplayıcı plakalar üzerine işlenmiş ve bu farklı tasarımların deneysel olarak incelenebilmesi için bir yakıt hücresi test düzeneği kurulmuştur. Kurulan deney düzeneği ile farklı akış kanal tasarımlarına sahip hücrelerin performans, sabit akım ve akım dağılımı ölçümleri yapılmıştır. Yapılan tasarımların performans değerlendirmesini yapabilmek için tüm sonuçlar standart serpantin tasarım ile kıyaslanmıştır. Sonuçlara göre yaprak, engelli yaprak ve Murray tasarımları serpantin tasarıma kıyasla 10-15% gibi bir güç artışı göstermiştir. Ayrıca sabit akım ölçümlerinde bu üç numune 0,4 A/cm2 gibi yüksek akım yoğunluğu değerlerinde sabit gerilim üretmektedir. Bu durum tasarımların su tahliye kabiliyetlerini göstermektedir. Son olarak tüm tasarımların akım dağılım ölçümleri incelendiğinde, elektrot yüzeylerinden oldukça homojen akım eldesi söz konusu olmuştur. Bu şekilde PEM tipi yakıt hücre performansını artıran ve reaktantların daha verimli kullanılmasını sağlayan özgün akış kanal tasarımlarına sahip grafit plakalar elde edilmiştir.

Abstract:
In this study, flow field designs inside the PEM type single fuel cell with 50 cm2 active area have been used in order to provide homogenous reactant distribution, more even current production and better water removal. While designing the flow fields, inspired from the plant veins found in the nature. Additionally in order to improve the water removal capability of the fuel cell, obstacles have been inserted in to the flow channels. The flow field profiles machined over the graphite plates. For investigating the effect of different flow channels to the PEM fuel cell performance, an experimental setup has been established. With the experimental setup, performance tests, constant current measurements and current/temperature distributions has been measured.  In order to evaluate the performance of flow fields, all measurements have been compared with standard serpentine design which could be found commonly in the literature. According to the results nature inspired design, nature inspired design with obstacles and Murray design showed 10-15% better performance than that of standard serpentine design. Furthermore these three designs can produce constant voltage even at the high current density values (0,4A/cm2). This situation shows the water removal capability of the flow fields. Relative to the serpentine design, all samples showed even current distribution over the catalyst layers. Thus, an important amount of performance increment and better water management have been provided.