Gaz difüzyon tabakalarında termal iletkenlik katsayısı tayini ve proton değişim membran yakıt pilinin izotermal olmayan modelinin geliştirilmesi
Determination of thermal conductivity coefficient in gas diffusion layers and development of the non-isothermal model of proton change membrane fuel cell
Yazar: ANIL CAN TÜRKMEN
Danışman: DOÇ. DR. CENK ÇELİK
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez kapsamında, öncelikle genel anlamda yakıt pilleri, kullanım alanlarından
bahsedilmiş, yakıt pili içerisinde olan fiziksel ve kimyasal olaylarla ilgili detaylar ile
bu detayların çözülmesinde farklı yaklaşımlardan bahsedilmiştir. Çalışmanın esas
kapsamını oluşturan bölüm olan PEM tipi bir yakıt pilinin modellenmesi, literatür de
bulunan deneysel bir çalışmanın verileri kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Modelleme işlemi gerçekleştirilirken, yakıt pilinde kullanılan herbir eleman ve
gerçekleşen herbir olay için mümkün olduğunca deneysel verilerden elde edilen
fonksiyonlar kullanılmıştır. Bu bağlamda, literatür de daha önce verilmemiş olan, gaz
difüzyon tabakalarının sıcaklığa bağlı ısı transfer katsayıları deneysel yöntemle tayin
edilmiş ve modelde kullanılmıştır. Modelleme çalışması Comsol Multiphysics ticari
yazılımı ile yapılmış olup, tek kanallı, izotermal olmayan, yatışkın halde, üç boyutlu
bir yakıt pilini içermektedir. Geliştirilen model referans alınan deneysel çalışma ile
karşılaştırılmış ve doğrulanmıştır. Buna istinaden, yakıt pili işletme parametreleri,
geometrik parametreler ve malzeme özelliklerinden oluşan bir dizi parametre
seçilmiştir. Seçilen her bir parametreye, deneysel çalışma da kullanılan değerler ile
beraber biri bu değerlerin altında, biri üstünde olmak üzere üç farklı değer atanmıştır.
Sunulan model, her bir parametre değeri için çözdürülmüş ve yakıt pili performans
grafikleri oluşturulmuştur. Bu performans grafikleri ve beraberinde verilen hücre
sıcaklığı, membran üzerindeki akım yoğunluğu, kanal içindeki hidrojenin, oksijenin
ve katot tarafındaki suyun kütlece oranlarını gösteren sonuçlar ile birlikte
yorumlanarak, hangi parametrenin yakıt pili performansını nasıl etkilediği
saptanmıştır.

Anahtar Kelimeler: GDT Isı Transfer Katsayısı, Parametrik Analiz, PEM Yakıt Pili
Modelleme.

Abstract:
In the scope of this thesis, firstly the fuel cells in general terms, usage areas are
mentioned, details about the physical and chemical events in the fuel cell, and different
approaches in solving these details are mentioned. The modeling of a PEM type fuel
cell, which is the part that constitutes the main scope of the study, was carried out
using the data of an experimental work in the literature.
When modeling is performed, each element used in the fuel cell and the functions
obtained from the experimental data as much as possible for each event are used. In
this context, heat transfer coefficients of gas diffusion layers, which have not been
given previously in the literature, have been determined depending on the temperature
by the experimental method and used in the model. The modeling work was done with
commercial software from Comsol Multiphysics and contains a single channel, nonisothermal, steady, three-dimensional fuel cell. The developed model was compared
and verified with the reference experimental work. In this regard, a number of
parameters have been selected which consist of fuel cell operating parameters,
geometric parameters, and material properties. Each selected parameter has three
different values, one of which is below and one above the values used in the
experimental study. The presented model was solved for each parameter value and fuel
cell performance graphs were created. These performance graphs, together with the
accompanying cell temperature, the current density on the membrane, the hydrogen,
oxygen in the channel, and the mass proportions of the water on the cathode side were
interpreted to determine which parameter affected the fuel cell performance.

Keywords: GDL Heat Transfer Coefficient, Parametric Analysis, PEM Fuel Cell
Modeling