Balık solungaçlarından esinlenerek geliştirilen PEM yakıt pili akış alanı performansının sayısal olarak incelenmesi

Abstract

Yakıt pilleri bir dizi elektrokimyasal tepkimeler sonucunda hidrojenin elektrik enerjisine dönüştürülmesinde önemli rol oynar. Özellikle Proton Değişim Membranlı (PEM) yakıt pilleri; düşük sıcaklıkta çalışabilme, hızlı devreye girme, yüksek güç yoğunluğu gibi özellikleriyle enerji, ulaşım ve uzay gibi alanlarda ön olana çıkmaktadır. Buna karşın PEM yakıt pilleri; çalışma verimliliğini arttırabilmek amacıyla çeşitli akış alan tasarımları üzerinde çalışmalar hem deneysel hem de sayısal olarak sürdürülmektedir. Bu tez kapsamında, literatürde çalışılmış olan akış alanı tasarımlarından farklı olarak bir bio benzeşim modeli olan balık solungaç akış alanı incelenerek bu akış alanına sahip olan bir yakıt pilinin performansını incelemek amaçlanmıştır. Bu tez kapsamında gaz değişim kapasitesi yüksek olan balık solungaçlarından esinlenerek yeni bir akış alanı tasarımı geliştirilmesi daha yüksek performansa sahip yakıt pili geliştirileceği sonucuna varılmıştır. Basınç, sıcaklık ve farklı çalışma debilerinde performans değerlendirme analizleri üç farklı basınç, üç farklı sıcaklık ve iki farklı debi oranında gerçekleştirilmiştir ve elde edilen sonuçlar polarizasyon eğrileri ile çeşitli kombinasyonlarla yorumlanmıştır. Çalışma sonunda %50-50 besleme düzeninde maksimum güç yoğunluğu hemen hemen aynı olsa da sınırlayıcı güç yoğunlukları arasındaki fark artmıştır. Sonuçlardan anlaşıldığı üzere düşük akım yoğunluklarında pilin %50-50 oranında çalıştırılması verimli bir kullanım sağlamaya müsait görünmekteyken, akım yoğunluğunun yükseldiği durumlarda %70-30 besleme oranına doğru geçiş yapılabileceği bir pil işletim stratejisi olarak analizler sonucunda ortaya çıkmıştır.

Fuel cells play an important role in the conversion of hydrogen into electrical energy as a result of electrochemical reactions. Especially Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells; It comes to the fore in fields such as energy, transportation and space with its features such as low temperature operation, fast switching on, and high power density. On the other hand, PEM fuel cells; In order to increase the working efficiency, studies on various flow field designs are carried out both experimentally and numerically. In this thesis, it is aimed to examine the performance of a fuel cell with this flow field by examining the fish gill flow field, which is a biosimilarity model, different from the flow field designs studied in the literature. Within the scope of this thesis, it was concluded that a new flow field design, inspired by fish gills with high gas exchange capacity, will be developed and a higher performance fuel cell will be developed. Performance evaluation analyzes at pressure, temperature and different operating flow rates were carried out at three different pressures, three different temperatures and two different flow rates, and the results were interpreted with various combinations of polarization curves. At the end of the study, although the maximum power density was almost the same in the 50-50% supply order, the difference between the limiting power densities increased. As it is understood from the results, while 50-50% operation of the battery at low current densities seems suitable to provide efficient use, it has emerged as a result of the analysis as a battery operating strategy that it can be switched towards 70-30% supply ratio in cases where the current density increases.