Gaz difüzyon tabakalarında termal iletkenlik katsayısı tayini ve proton değişim membran yakıt pilinin izotermal olmayan modelinin geliştirilmesi

Abstract

Bu tez kapsamında, öncelikle genel anlamda yakıt pilleri, kullanım alanlarındanbahsedilmiş, yakıt pili içerisinde olan fiziksel ve kimyasal olaylarla ilgili detaylar ilebu detayların çözülmesinde farklı yaklaşımlardan bahsedilmiştir. Çalışmanın esaskapsamını oluşturan bölüm olan PEM tipi bir yakıt pilinin modellenmesi, literatür debulunan deneysel bir çalışmanın verileri kullanılarak gerçekleştirilmiştir.Modelleme işlemi gerçekleştirilirken, yakıt pilinde kullanılan herbir eleman vegerçekleşen herbir olay için mümkün olduğunca deneysel verilerden elde edilenfonksiyonlar kullanılmıştır. Bu bağlamda, literatür de daha önce verilmemiş olan, gazdifüzyon tabakalarının sıcaklığa bağlı ısı transfer katsayıları deneysel yöntemle tayinedilmiş ve modelde kullanılmıştır. Modelleme çalışması Comsol Multiphysics ticariyazılımı ile yapılmış olup, tek kanallı, izotermal olmayan, yatışkın halde, üç boyutlubir yakıt pilini içermektedir. Geliştirilen model referans alınan deneysel çalışma ilekarşılaştırılmış ve doğrulanmıştır. Buna istinaden, yakıt pili işletme parametreleri,geometrik parametreler ve malzeme özelliklerinden oluşan bir dizi parametreseçilmiştir. Seçilen her bir parametreye, deneysel çalışma da kullanılan değerler ileberaber biri bu değerlerin altında, biri üstünde olmak üzere üç farklı değer atanmıştır.Sunulan model, her bir parametre değeri için çözdürülmüş ve yakıt pili performansgrafikleri oluşturulmuştur. Bu performans grafikleri ve beraberinde verilen hücresıcaklığı, membran üzerindeki akım yoğunluğu, kanal içindeki hidrojenin, oksijeninve katot tarafındaki suyun kütlece oranlarını gösteren sonuçlar ile birlikteyorumlanarak, hangi parametrenin yakıt pili performansını nasıl etkilediğisaptanmıştır.Anahtar Kelimeler: GDT Isı Transfer Katsayısı, Parametrik Analiz, PEM Yakıt PiliModelleme.

In the scope of this thesis, firstly the fuel cells in general terms, usage areas arementioned, details about the physical and chemical events in the fuel cell, and differentapproaches in solving these details are mentioned. The modeling of a PEM type fuelcell, which is the part that constitutes the main scope of the study, was carried outusing the data of an experimental work in the literature.When modeling is performed, each element used in the fuel cell and the functionsobtained from the experimental data as much as possible for each event are used. Inthis context, heat transfer coefficients of gas diffusion layers, which have not beengiven previously in the literature, have been determined depending on the temperatureby the experimental method and used in the model. The modeling work was done withcommercial software from Comsol Multiphysics and contains a single channel, nonisothermal, steady, three-dimensional fuel cell. The developed model was comparedand verified with the reference experimental work. In this regard, a number ofparameters have been selected which consist of fuel cell operating parameters,geometric parameters, and material properties. Each selected parameter has threedifferent values, one of which is below and one above the values used in theexperimental study. The presented model was solved for each parameter value and fuelcell performance graphs were created. These performance graphs, together with theaccompanying 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 wereinterpreted to determine which parameter affected the fuel cell performance.Keywords: GDL Heat Transfer Coefficient, Parametric Analysis, PEM Fuel CellModeling