YAKIT PİLLİ ELEKTRİKLİ ARAÇLAR İÇİN GÖZENEKLİ AKIŞ ALANLI BİPOLAR PLAKALARIN GELİŞTİRİLMESİ

Abstract

Bu tez çalışmasında, geleceğin temiz enerji kaynaklarından biri olan yakıt hücrelerinin birim aktif alanından daha yüksek bir akım/güç yoğunluğu elde edilmesine yönelik AP tasarımları yapılmıştır. Bu amaçla literatürde dikkat çeken açık gözenekli malzemelerin kullanıldığı bir akış alanı tasarımı yapılmıştır. Hücrenin aktif alanında reaktant akışını yönlendiren bu gözenekli alanlar ile katalizör yüzeyinde daha dengeli bir reaktant dağılımının sağlanması amaçlanmıştır. Buna ek olarak katalizör yüzeyindeki reaktant yoğunluğunun arttırılması da hedeflenmiştir. Bu şekilde hücreden elde edilen akım yoğunluğu değerlerinde artış sağlanarak, hücrenin üretmiş olduğu güç çıkışını arttırılması amaçlanmıştır. Tasarımsal olarak belirlenen AP modelleri CATIA programında üç boyutlu olarak modellenerek, ANSYS programında yakıt hücreleri simüle edilmiştir. Modellemelerde tek hücreli bir yakıt hücresi yapısı oluşturulmuştur. ANSYS programında, yakıt hücrelerinin akım yoğunluğu değerleri, basınç, sıcaklık, hidrojen, oksijen ve su dağılımları elde edilmiş ve karşılaştırılmıştır. Çalışma kapsamındaki üretilen modeller literatürde sıklıkla kullanılan üçlü serpantin modeline sahip bir yakıt hücresi ile kıyaslanmıştır. Serpantin modelli AP' ye sahip, tek hücreli yakıt hücresine kıyasla daha yüksek net güç çıkışı sağlayan model en verimli AP modeli olarak kabul edilmiştir. Çalışma kapsamında geliştirilen AP modeli, üretilmiş ve tek hücreli bir yakıt pili yapısı oluşturularak deneysel olarak test edilmiştir. Sonuçlar, gözenekli alanların PEMFC' lerde akış alanı olarak kullanılmasının hücrenin elektriksel performansı üzerinde olumlu sonuçlar oluşturduğunu, akım ve güç yoğunluğu değerlerini arttırdığını göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Yakıt hücreleri, Akış plakası, Hesaplamalı akışkanlar dinamiği, Gözenekli akış alanı.

In this thesis, AP designs aimed at achieving higher current/power density from the unit active area of fuel cells, one of the clean energy sources of the future, have been developed. For this purpose, a flow field design utilizing open-pore materials, which have attracted attention in the literature, has been created. It is intended that these porous regions, which direct the flow of reactants in the active area of the cell, provide a more balanced distribution of reactants on the catalyst surface. Additionally, increasing the reactant density on the catalyst surface is also targeted. In this way, it is aimed to increase the power output produced by the cell by increasing the current density values obtained from the cell. The AP models, determined through design, were modeled in three dimensions using the CATIA program, and fuel cells were simulated in the ANSYS program. In the modeling, a single-cell fuel cell structure was created. In the ANSYS program, current density values, pressure, temperature, hydrogen, oxygen, and water distributions of the fuel cells were obtained and compared. The models produced within the scope of the study were compared with a fuel cell that has a triple serpentine model, which is frequently used in the literature. The model with the AP that provides a higher net power output compared to the single-cell fuel cell with the serpentine model was accepted as the most efficient AP model. The AP model developed within the scope of the study was produced and experimentally tested by creating a single-cell fuel cell structure. The results showed that the use of porous regions as a flow field in PEMFCs had positive effects on the electrical performance of the cell, increasing the current and power density values. Keywords: Fuel cells, Flow plate, Computational fluid dynamics, Porous flow field.