ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA KULLANILAN YAKIT HÜCRELERİ İÇİN ÖZGÜN AKIŞ PLAKALARININ HÜCRE PERFORMANSI ÜZERİNDEKİ ETKİLERİNİN ARAŞTIRILMASI

Abstract

Enerji ihtiyacının her geçen gün artması, sürdürülebilir ve çevre dostu enerji teknolojilerinin önemini ön plana çıkarmaktadır. Dünya genelinde yaygın olarak kullanılan fosil yakıtlar; yüksek karbon emisyonları, hava kirliliği ve sınırlı rezervleri nedeniyle uzun vadede güvenilir bir enerji kaynağı olarak değerlendirilememektedir. Kömür, petrol ve doğal gaz gibi geleneksel enerji kaynaklarının olumsuz çevresel etkileri, yenilenebilir ve temiz enerji teknolojilerine yönelimi zorunlu kılmaktadır. Bu kapsamda güneş, rüzgâr ve hidrojen gibi çevreye duyarlı kaynakların kullanılması sürdürülebilirlik açısından kritik bir rol üstlenmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarına dönüştürülen teknolojiler arasında proton değişim membranlı yakıt pilleri (PEMFC), sahip oldukları avantajlı özellikler sayesinde dikkat çekmektedir. PEMFC sistemleri; yüksek enerji dönüşüm verimliliği, düşük çalışma sıcaklıkları, hızlı tepki süreleri ve sessiz çalışma özellikleri ile öne çıkmakta; ayrıca yan ürün olarak yalnızca su açığa çıkarmaları nedeniyle çevreye zarar vermemektedir. Bu çalışmada, bipolar plakanın anot ve katot kanallarına yerleştirilen gözenekli blokların, yakıt hücresindeki sıcaklık ve basınç dağılımları üzerindeki etkilerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda, beş farklı hücre voltajı altında sayısal modeller oluşturulmuş ve ilgili I-V karakteristik eğrileri elde edilmiştir. Analizler, ANSYS Fluent yazılımı kullanılarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemiyle yürütülmüştür. Çalışmada, 50 cm² aktif alana sahip üç boyutlu tek hücreli bir PEM yakıt hücresi modellenmiştir. Elde edilen bulgular, gözenekli blokların yerleştirildiği serpantin kanal tasarımının, standart serpantin geometriye kıyasla daha yüksek akım yoğunluğu sağladığını göstermiştir. Özellikle 0,4 V hücre voltajında akım yoğunluğunda %9,95 oranında bir artış gözlenmiştir. Bunun yanında, gözenekli blokların bulunduğu bölgelerde yerel sıcaklık yükselmeleri kaydedilmiştir. Ayrıca, gözenekli bloklu modelde basınç düşümünün, standart serpantin modele göre daha yüksek olduğu tespit edilmiştir.

The ever-increasing energy demand highlights the importance of sustainable and environmentally friendly energy technologies. Fossil fuels, widely used worldwide, cannot be considered a reliable energy source in the long term due to their high carbon emissions, air pollution, and limited reserves. The negative environmental impacts of traditional energy sources such as coal, oil, and natural gas necessitate a shift towards renewable and clean energy technologies. In this context, the use of environmentally friendly resources such as solar, wind, and hydrogen plays a critical role in sustainability. Among the technologies being converted into renewable energy sources, proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) stand out due to their advantageous features. PEMFC systems stand out with their high energy conversion efficiency, low operating temperatures, fast response times, and quiet operation. Furthermore, they are environmentally friendly because they emit only water as a byproduct. This study aimed to investigate the effects of porous blocks placed in the anode and cathode channels of a bipolar plate on the temperature and pressure distributions in the fuel cell. In this context, numerical models were created under five different cell voltages, and the relevant I-V characteristic curves were obtained. Analyses were conducted using computational fluid dynamics (CFD) using ANSYS Fluent software. A three-dimensional single-cell PEM fuel cell with an active area of 50 cm² was modeled in the study. The findings showed that the serpentine channel design in which porous blocks are placed provides higher current density compared to the standard serpentine geometry. Specifically, a 9.95% increase in current density was observed at a cell voltage of 0.4 V. Furthermore, local temperature increases were noted in the regions where the porous blocks were located. Furthermore, the pressure drop in the porous block model was found to be higher than in the standard serpentine model.