Rejeneratif yakıt hücresinin deneysel incelenmesi
Experimental investigation of the regenerative fuel cell
- Tez No: 958469
- Danışmanlar: PROF. DR. YUSUF ÇAY, PROF. DR. NEDİM SÖZBİR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 156
Özet
Bu doktora çalışması, sabit elektrot modunda çalışan bir proton değişim membranlı birleşik rejeneratif yakıt hücresi (PEM-BRYH) sisteminin, farklı katalizör oranları ve işletme parametreleri altında deneysel olarak optimize edilmesini amaçlamaktadır. Hem elektrolizör hem de yakıt hücresi modlarında gerçekleştirilen sistematik deneylerle, performansa etki eden değişkenlerin analizi yapılmıştır. Anot tarafı için Pt-Ir oranları ağırlıkça sırasıyla 3:1, 1:1 ve 1:3 olacak şekilde ayarlanmış üç farklı MEA hazırlanmış ve bu yapılar sabit elektrot modunda çevrimsel koşullarda test edilmiştir. Sabit elektrot modunda elektrotların fiziksel konumu değişmemekte, yalnızca elektrokimyasal görevleri modlar arasında dönüşmektedir. Elektrot konfigürasyonunda anot tarafında üç katmanlı titanyum mesh ve titanyum frit (PTL), katot tarafında ise serpantin akış kanallı grafit bipolar plaka ve GDL kullanılmıştır. Bu yenilikçi yapı, yalnızca gaz-su taşınım dengesini sağlamak amacıyla değil, aynı zamanda asidik çalışma ortamında korozyon direncini artırmak, çevrimsel stabiliteyi korumak ve uzun ömürlü performans elde etmek amacıyla tasarlanmıştır. Her MEA için sıcaklık, sıkma torku ve debi değişkenlerinin üç seviyede incelendiği L9 ortogonal dizili Taguchi deney tasarımı uygulanmıştır. Elde edilen verilerle sinyal/gürültü oranları, varyans analizleri, kontur ve etkileşim grafiklerine dayalı detaylı performans analizleri yapılmıştır. Analizler, sıcaklığın her iki modda da sistem performansına en güçlü etkiyi yaptığını göstermiştir. Özellikle 80 °C sıcaklık tüm konfigürasyonlarda en yüksek performansı sağlamıştır. Sıkma torku için elektrolizör modunda optimum sonuçlar 7 Nm seviyesinde elde edilirken, yakıt hücresi modunda 5 Nm tork daha avantajlı bulunmuştur. Debi değişkeni ise modlara göre farklı eğilim göstermekte; optimum değerler, her modun ihtiyaç duyduğu su ve gaz transfer dengesine göre şekillenmektedir. Pt-Ir oranı açısından değerlendirildiğinde MEA-3 elektrolizör modunda en iyi sonuçları verirken, MEA-1 yakıt hücresi modunda yüksek sıcaklıkta öne çıkmış görünse de diğer sıcaklık ve tork seviyelerinde bu üstünlüğünü sürdürememiştir. Yakıt hücresi modunda MEA-2 daha geniş tork ve sıcaklık aralığında daha iyi performans sergilemiştir. Genel olarak iki mod arasında denge sağlayan ve çevrimsel kararlılığı en iyi koruyan yapı MEA-2 olmuştur. Sonuç olarak, titanyum mesh yapının özellikle elektrolizör modunda avantajlı olduğu, bu yapının sabit elektrot prensibine dayalı PEM-BRYH sistemleri için uygun bir çözüm olduğu görülmüştür; ayrıca çalışma, malzeme seçimi ile işletme parametrelerinin performans üzerindeki etkilerini birlikte ele alarak bu tür sistemlerin tasarım ve optimizasyonuna yönelik kapsamlı bir temel sunmuştur.
Özet (Çeviri)
This doctoral study aims to experimentally optimize a proton exchange membrane unitized regenerative fuel cell (PEM-URFC) system operating in fixed electrode mode under various catalyst ratios and operating parameters. Systematic experiments were conducted in both electrolyzer and fuel cell modes to analyze performance-affecting variables. Three different membrane electrode assemblies (MEAs) with Pt-Ir ratios adjusted by weight to 3:1, 1:1, and 1:3 were prepared for the anode side and tested under cyclic conditions based on the constant electrode principle. In this mode, the physical positions of the electrodes remain unchanged, while their electrochemical roles switch between modes. The electrode configuration included a triple-layer titanium mesh and titanium felt (PTL) on the anode side, and a serpentine graphite bipolar plate and GDL on the cathode side. This innovative structure was designed not only to balance gas–water transport, but also to enhance corrosion resistance under acidic conditions, improve cycle stability, and enable long-term performance. A Taguchi L9 experimental design was implemented to investigate the effects of temperature, clamping torque, and flow rate at three levels, totaling in 54 trials. Based on the collected data, signal-to-noise ratios, variance analyses, contour and interaction graphs were used for a detailed performance evaluation. The analyses revealed that temperature had the most significant effect on system performance in both modes. A temperature of 80 °C enabled the highest performance levels across all configurations, owing to enhanced reaction kinetics and proton conductivity. The optimal clamping torque was found to be 7 Nm in electrolyzer mode and 5 Nm in fuel cell mode. The effect of flow rate varied depending on the operating mode, with the optimum values shaped by the water and gas transport requirements of each mode. In terms of Pt-Ir ratio, MEA-3 delivered the best performance in electrolyzer mode. In fuel cell mode, MEA-1 showed superior performance under high temperature; however, this advantage did not persist across other operating conditions. MEA-2 exhibited better performance over a wider range of temperature and torque conditions in fuel cell mode. Overall, MEA-2 was identified as the most balanced configuration between the two modes, demonstrating the best cycle-to-cycle stability. In conclusion, the titanium mesh structure was found to be particularly favorable in electrolyzer mode, confirming its suitability for PEM-URFC systems based on the constant electrode principle; moreover, the study provided a comprehensive basis for the design and optimization of such systems by jointly evaluating the effects of material selection and operating parameters on overall performance.
Benzer Tezler
- Investigation of mechanoregulatory role of desmin protein
Investigation of mechanoregulatory role of desmin protein
NİLÜFER DÜZ
Doktora
Türkçe
2024
Tıbbi BiyolojiHacettepe ÜniversitesiTıbbi Biyoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. PERVİN RUKİYE DİNÇER
- Farelerdeki polikistik over sendromu modelinde mir-21 ve mtor ilişkisinin incelenmesi
Investigation of mir-21 and mtor relation in polycystic ovary syndrome model in mice
SİBEL DEMİRCİ DELİPINAR
Doktora
Türkçe
2018
Histoloji ve Embriyolojiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaHistoloji ve Embriyoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL SEÇKİN
- Ratlarda denetsel akut spinal kord travmasından sonra ependim hücrelerinin elektron mikroskobik analizi
The electron microscopic analysis of rats epandym cells, after experimental acute spinal cord injury
ZAFER AYDIN
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2004
NöroşirürjiAnkara ÜniversitesiNöroşirürji Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. Y. ŞÜKRÜ ÇAĞLAR
- Elektrikli scooter'larda PEM yakıt hücresi kullanarak sürüş performansının iyileştirilmesi
Driving performance enhancement using PEM fuel cell in electric scooters
HİLAL BIYIK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiFırat ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SENCER ÜNAL
- Paralel hibrit bir aracın bulanık mantık yöntemi ile kontrolü ve diğer güç sistemleri ile karşılaştırılması
Control of a parallel hybrid vehicle with fuzzy logic method and comparison with other power systems
TOLGA KOCAKULAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiOtomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAMİT SOLMAZ