Yakıt pillerinde elektriksel bütüncül yaklaşım: model geliştirilmesi, platin-bor katkılı 3B elektrot tasarımı ve deneysel uygulaması
Electrically integrated approach in fuel cells: Model development, platinum-boron doped 3d electrode design and experimental application
- Tez No: 1006299
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALİ ERDUMAN, DOÇ. DR. EVRİM BARAN AYDIN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Artan küresel enerji talebi, fosil yakıtların hızla tükenmesine yol açmaktadır. Yakıt hücreleri, fosil yakıtlara verimli ve temiz bir alternatif olarak öne çıkmaktadır. Bu tezde, referans olarak kullanılmak amacıyla bir proton değişim membranlı yakıt hücresinin (PEMFC) modellemesi, parametre optimizasyonu ve emülatör testi yapılmıştır. Yeni kimyasal yapılara sahip elektrotlar üretilerek PEMFC'lerin detaylı elektriksel performans değerlendirmesi yapılmıştır. İlk olarak, PEMFC detaylı matematik denklemleri kullanılarak referans model oluşturulmuş, polarizasyon eğrisi elde edilmiş ve yakıt hücresi model üzerinde ayrıntılı olarak çalışılmıştır. Ardından Denizatı Optimizasyonu (DAO) algoritmasıyla parametre tahmini yapılmıştır. Ayrıca DAO algoritmasında değişen parametrelerin sistemi nasıl etkilediği parametrik hassasiyet analizi yapılarak değerlendirilmiştir. Daha sonra, DAO ile kestirilen parametreler gerçek zamanlı emülatöre aktarılmış. Böylece emülatörle, PEMFC tabanlı tahrik sistemleri için modelleme-optimizasyon-doğrulama süreci bütüncül olarak ele alınmıştır. Son olarak, PEMFC içerisinde test edilmek üzere farklı katot elektrotlar (3B baskı ile üretilen nano boyutlu nikel (Ni), titanyum (Ti) ve bakır (Cu) metalleri, farklı oranlarda tungsten karbür (WC) ile (WC:M = 20:80, 40:60, 60:40; M = Ni, Cu, Ti)) üretilmiştir. Bu doğrultuda, platin alternatifi katot elektrotların kimyasal yapılarının elektriksel performansları analizler ve yapılan ölçümlerle ayrıntılı olarak incelenerek değerlendirilmiştir. Üretilen elektrotlardan %1B-%1Pt/40Ni:60WC, %1Pt/40Ti:60WC ve %1Pt/40Cu:60WC elektrotlar, düşük yük transfer direnci ve uygun Tafel eğimi değerleriyle PEMFC uygulamaları için en yüksek ORR elektrokimyasal performansı sergilemiştir. Bu bulgular, metal bileşimi ve katkı optimizasyonunun PEMFC elektrot tasarımında belirleyici rol oynadığını ortaya koymaktadır. Yarı hücre testlerinde en iyi sonuç veren elektrotlar, TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi (MAM) yakıt hücresi laboratuvarında tam hücre testi uygulanarak sistem düzeyindeki performansı incelenmiştir. 80 °C hücre ve nemlendirme sıcaklıklarında test edilen 5 cm2 aktif alana sahip Pt/40Cu-60WC katalizörlü PEMFC, orta akım yoğunlukları bölgesinde kararlı bir gerilim davranışı sergilemiş ve 50-60 mA cm-2 akım yoğunluğu aralığında, maksimum güç yoğunluğuna ulaşmıştır. Bu sonuç, düşük Pt içeriğine rağmen Cu-WC destekli yapının elektrokatalitik aktivite ve güç üretim performansı açısından umut verici bir alternatif sunduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
The increasing global demand for energy is leading to the rapid depletion of fossil fuels. Fuel cells are emerging as an efficient and clean alternative to fossil fuels. In this thesis, modeling, parameter optimization, and emulator testing of an proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) were performed for use as a reference. Electrodes with new chemical structures were produced, and a detailed electrical performance evaluation of PEMFCs was performed. First, a reference model was created using detailed mathematical equations for PEMFCs, a polarization curve was obtained, and the fuel cell model was studied in detail. Then, parameter estimation was performed using the Seahorse Optimization(SHO) algorithm. Furthermore, the parametric sensitivity analysis was performed to evaluate how the varying parameters in the SHO algorithm affect the system. Subsequently, the parameters estimated by SHO were transferred to the real-time emulator. Thus, the modeling-optimization-verification process for PEMFC-based propulsion systems was comprehensively addressed using the emulator. Finally, different cathode electrodes (nano-sized nickel (Ni), titanium (Ti), and copper (Cu) metals produced by 3D printing, with different ratios of tungsten carbide (WC) (WC:M = 20:80, 40:60, 60:40; M = Ni, Cu, Ti)) were produced for testing in the PEMFC. Accordingly, the chemical structures of platinum alternative cathode electrodes have been thoroughly evaluated in terms of their electrical performance through analyses and measurements. Among the electrodes produced, the 1%B-1%Pt/40Ni:60WC, 1%Pt/40Ti:60WC, and 1%Pt/40Cu:60WC electrodes exhibited the highest ORR electrochemical performance for PEMFC applications with low charge transfer resistance and suitable Tafel slope values. These findings reveal that metal composition and additive optimization play a decisive role in PEMFC electrode design. The electrodes that yielded the best results in half-cell tests were subjected to full-cell testing at the TUBITAK Marmara Research Center (MAM) fuel cell laboratory to examine their system level performance. The PEMFC with a Pt-40Cu-60WC catalyst and an active area of 5 cm2, tested at 80 °C cell and humidification temperatures, exhibited stable voltage behavior in the medium current density region and reached maximum power density in the 50-60 mA cm-2 current density range. This result demonstrates that, despite its low Pt content, the Cu-WC supported structure offers a promising alternative in terms of electrocatalytic activity and power generation performance.
Benzer Tezler
- Yakıt pillerinde kullanılan metal bipolar plaka kaplama elektriksel temas direncinin sayısal analizi
Numerical analysis of electrical contact resistance of coating used on metal bipolar plates in fuel cells
ÖZGÜN ÖNEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET SUHA YAZICI
PROF. DR. DİLEK KUMLUTAŞ
- Katı oksit yakıt pillerinde kompozit cam-seramik sızdırmazlık malzemesinin dinamik davranışlarının deneysel ve teorik incelenmesi
Theoretical and experimental investigation of dynamic bevaour a composite glass-ceramic sealant in sofcs
AHMET BAKAL
Doktora
Türkçe
2014
EnerjiNiğde ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MAHMUT DURSUN MAT
- PEM yakıt pili katalizörleri için destek malzemesi olarak iletken polimer/karbon kompozitlerinin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of conducting polymer/carbon composites as PEM fuel cell catalyst suppo
FULYA MEMİOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Kimya MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN
- Katı oksit yakıt pilleri için Bi2O3 katkılı katı elektrolit-katot malzemelerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of solid electrolytes doped Bi2O3 and cathode materials for solid oxide fuel cells
ERKAN ERDEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
EnerjiKütahya Dumlupınar Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEMRA DURMUŞ ACER
- Pd-Zn kaplı bakır köpük kullanımının doğrudan Borhidrür yakıt pili performansına etkisinin incelenmesi
Searching of the effect of Pd-Zn coated copper foam directly to performance in Borohydride fuel cell
İPEK ÇAĞLAYAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENK ÇELİK