Farklı akış alanı tasarımlarının yakıt pili performansına etkisinin deneysel ve sayısal incelenmesi

Abstract

Bu tez kapsamında yakıt pillerinin ağırlıkça %80 ini oluşturan bipolar plakalar üzerindeki akış kanallarının iyileştirilmesi ve geometrik optimizasyonu üzerine sayısal ve deneysel bir çalışma yapılmıştır. Deneysel çalışmalarda kullanılacak olan Membran Elektrot Grubu (MEA) tez kapsamında hazırlanarak tüm deneylerde kullanılmıştır. Deneysel çalışma kapsamında; literatürde güncel olarak kullanılan tekli serpantin tipi akış alanına sahip yakıt pili imal edilmiş ve imalatı yapılan yakıt pili 70 °C pil sıcaklığı, 1 atm basınç, %100 nemlendirme ve 0.25 lt/dk şartlarında test edilmiştir. Aynı geometri sayısal olarak çözümlenerek deneysel verilerle karşılaştırılmış ve sayısal model doğrulanmıştır. Geleneksel tekli serpantin tipi akış alanına sahip yakıt pili performansını iyileştirmek üzere 4 adet özgün akış alanına sahip model tasarlanarak öncelikle sayısal, sonra da deneysel olarak test edilmiştir. Elde edilen performansı en yüksek tasarım üzerinde geometrik parametrelerin etkisini sayısal olarak araştırmak üzere; kanal yüksekliği, kanal genişliği ve akış alanı/temas yüzeyi oranı; Yanıt Yüzey Yöntemi ile analiz edilmiştir. Akım yoğunluğunu maksimum, basınç düşümünü minimum yapacak hedef fonksiyonlara göre optimum kanal geometrisi elde edilmiştir. Elde edilen bu geometrinin pil sıcaklığı ve debisi değiştirilerek performansı deneysel olarak belirlenmiştir. Çalışma kapsamında tasarımı yapılan ve optimize edilen akış alanına sahip yakıt pillerinde geleneksel tek serpantin tipli yakıt piline göre akım yoğunluğu deneysel olarak %22.9 artmıştır.

In this thesis, a study was carried out on the optimization of numerical, experimental and geometric parameters with regard to flow channels on bipolar plates which constitute 80% by weight of the fuel cell. During the design and experiments, Membrane Electrode Group (MEA) was prepared in our laboratory and the same MEA was used in all experiments. Within the scope of experimental study; the fuel cell with single serpantine type flow field, which is currently used in the literature, was manufactured. That fuel cell was tested at the fuel cell temperature of 70 °C, 1 atm pressure, 100% humidification and a flow rate of 0.25 lt/min. The same geometry was analyzed numerically and the numerical model was verified comparing the results with experimental data. In order to improve the performance of the fuel cell with conventional single-serpentine flow field, four unique flow fields were designed and firstly tested numerically and then experimentally. The effect of the geometric parameters on the most efficient design to be investigated numerically, the channel height, the channel width and the flow area/contact surface ratio were analysed using Response Surface Methodology. The optimum channel geometry was obtained for the target functions which would make the maximum current density and minimum pressure drop. The performance of this geometry was determined experimentally by changing the fuel cell temperature and flow rate. The current density in fuel cells having the flow field designed and oprimized with the scope of this study has increased by 22.9% compared to the traditional single serpantine type fuel cell.