Yakıt pili kapatma (son plaka) plakasının performans üzerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of fuel cell end (closure plate) plate on performance
Yazar: BÜŞRA YILGIN
Danışman: PROF. DR. CENK ÇELİK ; DOÇ. DR. FATMA GÜL BOYACI SAN
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez kapsamında yakıt hücresi kapatma plakasının hücre performansına etkileyen parametreleri deneysel olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmalarda, 50 cm2 aktif alana sahip tek hücreli proton değişim membranlı (PEM) yakıt pil modülü kullanılmış ve hücre performansını etkileyen parametreleri incelemek amacıyla mekanik sıkıştırma deneyleri ve yakıt pili performans testleri gerçekleştirilmiştir. Mekanik sıkıştırma deneyinde, yakıt piline ait kapatma plakası üç farklı malzemeden (delrin, alüminyum, paslanmaz çelik) imal edilerek tasarlanmıştır. Ayrıca tasarlanan kapatma plakalarına, farklı cıvata konfigürasyonlarında (4a, 8a, 8b) sıkma torkunun farklı kombinasyonları (1 Nm, 5 Nm ve 9 Nm) uygulanarak yakıt pili performansları incelenmiştir. Deneysel parametreleri optimize etmek amacıyla Yüzey Cevap Yöntemi (YCY) uygulanmış, giriş parametreleri olarak plaka malzemesi, tork ve cıvata kombinasyonu seçilmiştir.
Yapılan çalışmada, paslanmaz çelik kapatma plakasına 8b cıvata yerleşimindeyken maksimum tork uygulandığında hücreye homojen basınç uygulandığı gözlemlenmiştir. Deneyin ikinci aşamasında ise mekanik sıkıştırma deneyinde en iyi performans gösteren test hücresinin montajı yapılmış ve bu test hücresinin hücre performansına etki eden parametreleri (çalışma sıcaklığı, akış hızı ve tork etkisi) YCY'ye göre incelenmiştir. Bu analize göre incelenen aralıkta, hücre sıcaklığının ve katot akışın hücre performansına etkisinin oldukça fazla, tork etkisinin ise yok denecek kadar az olduğu gözlenmiştir. Test hücresinde sıkıştırma torku parametresinin direnç üzerinde etkisinin olmaması ise ilk aşamadaki mekanik sıkıştırma deneylerinden elde edilen tasarım sonuçlarının, ikinci aşamadaki performans testlerinde kullanılmasının sonucudur. Bu durum mekanik sıkıştırma deneyleri sonucunda başarılı bir tasarımın seçildiğinin göstergesidir.  Sonuçlar, parametrelerin optimize edilmesinin uygun performansa sahip kapatma plakası tasarımına yol açacağını ortaya koymaktadır.

Abstract:
In this thesis, the parameters affecting the cell performance of the fuel cell end plate were investigated experimentally. In the experimental studies, a single cell proton exchange membrane (PEM) fuel cell module with 50 cm2 active area was used and mechanical compression experiments and fuel cell performance tests were carried out to examine the parameters affecting the cell performance. In the mechanical compression experiment, the end plate of the fuel cell was designed by manufactured from three different materials (delrin, aluminum, stainless steel). In addition, fuel cell performances were investigated by applying different combinations of clamping torque (1 Nm, 5 Nm and 9 Nm) to the designed end plates in different bolt configurations (4a, 8a, 8b). In order to optimize the experimental parameters, Surface Response Method (RSM) was applied and plate material, torque and bolt combination were selected as input parameters.
In the study, it was observed that a homogeneous pressure was applied to the cell when maximum torque was applied to the stainless steel end plate when the 8b bolt was used. In the second stage of the experiment, the test cell with the best performance in the mechanical compression experiment was assembled and the parameters affecting the cell performance (operating temperature, flow rate and torque effect) of this test cell were investigated according to RSM. According to this analys is in the range examined, it was observed that the effect of cell temperature and cathode flow on cell performance was quite high, while the effect of torque is negligible. The fact that the clamping torque parameter has no effect on the resistance in the test cell is the result of using the design results obtained from the mechanical compression experiments in the first stage in the performance tests in the second stage. This is an indication that a successful design has been selected as a result of mechanical compression tests. The results reveal that optimizing the parameters will lead to a end plate design with proper performance.