Geri Dön

Sayısal modelleme ile doğrudan metanol yakıt pili incelemesi

Numerical investigation of a direct methanol based fuel cell

PDF İndir

  1. Tez No: 996357
  2. Yazar: TURGUT CAN TOSUN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HADİ GENCELİ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Enerji, Mühendislik Bilimleri, Energy, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Enerji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Sanayi devriminden bu yana ivmelenen teknolojik gelişmeler ve nüfus artışının bir sonucu olarak, küresel enerji talebinde dikkate değer bir artış gözlemlenmiş ve güncel raporlara göre dünya enerji tüketimi 580 Exajoule (EJ) seviyelerine ulaşmıştır. Fosil yakıtların çevresel sürdürülebilirlik üzerindeki etkileri, alternatif enerji dönüşüm sistemlerine yönelik arayışları hızlandırmıştır. Bu bağlamda, Doğrudan Metanol Yakıt Pilleri (DMYP), sıvı metanolün sunduğu yüksek enerji yoğunluğu ve depolama kolaylığı potansiyeliyle, özellikle insansız hava araçları, askeri taşınabilir güç üniteleri ve mobil sistemler için stratejik bir seçenek olarak değerlendirilmektedir. Ancak, teknolojinin yaygınlaşması; anodik reaksiyon kinetiğinin yavaşlığı, metanolün polimer membrandan geçişi (crossover) ve özellikle yığın (stack) seviyesindeki su yönetimi problemleri gibi teknik engellerle sınırlanmaktadır. Bu tez çalışmasında, DMYP performansını etkileyen kritik parametreler bütüncül bir yaklaşımla ele alınmıştır. Çalışma; matematiksel modelleme, yenilikçi kanal tasarımı, yığın üretimi ve deneysel optimizasyon olmak üzere dört ana eksende yürütülmüştür. Teorik aşamada, COMSOL Multiphysics kullanılarak geliştirilen 2 boyutlu (2B) ve 3 boyutlu (3B) modeller ile hücre içi taşınım olayları ve elektrokimyasal reaksiyonlar simüle edilmiştir. Özellikle“Dalgalı”(Sinüzoidal) kanal geometrilerinde oluşan Dean Girdapları (Dean Vortices) gibi ikincil akış yapılarının, difüzyon sınır tabakasını incelterek kütle transferine olan katkısı ve su tahliyesindeki rolü analiz edilmiştir. Deneysel aşamada ise, modelleme sonuçlarına dayanarak aktif alanı optimize edilmiş tek hücre ve üç hücreli bir DMYP yığını tasarlanmış ve üretilmiştir. Geleneksel serpantin ve paralel akış alanlarına kıyasla, önerilen dalgalı kanal yapısının basınç düşüşünü minimize ederken reaktan dağılımını iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Çalışma koşullarının (sıcaklık, metanol konsantrasyonu ve akış debileri) sistem performansı üzerindeki etkilerini belirlemek ve optimum çalışma noktasını saptamak amacıyla Tepki Yüzeyi Yöntemi (RSM) kullanılmıştır. Elde edilen bulgular, optimize edilmiş kanal tasarımı ve işletim koşullarının, metanol geçişini sınırlarken güç yoğunluğunu artırdığını ve su yönetimini iyileştirdiğini ortaya koymuştur. Bu çalışma, DMYP yığınlarının hidrodinamik ve elektrokimyasal optimizasyonu için kapsamlı bir metodoloji sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

As a result of accelerating technological developments and population growth since the industrial revolution, global energy demand has shown a notable increase, reaching consumption levels of approximately 580 Exajoules (EJ). Environmental sustainability concerns regarding fossil fuels have accelerated the search for alternative energy conversion systems. In this context, Direct Methanol Fuel Cells (DMFCs) are considered a strategic option, particularly for unmanned aerial vehicles, military portable power units, and mobile systems, due to the potential offered by the energy density of liquid methanol and its ease of storage. However, the widespread adoption of this technology is limited by technical barriers such as sluggish anodic reaction kinetics, methanol crossover through the polymer membrane, and specifically, water management issues at the stack level. In this thesis study, critical parameters affecting DMFC performance are addressed through a holistic approach. The study was conducted on four main axes: mathematical modeling, innovative channel design, stack fabrication, and experimental optimization. In the theoretical phase, intracellular transport phenomena and electrochemical reactions were simulated using 2-dimensional (2D) and 3-dimensional (3D) models developed with COMSOL Multiphysics. Specifically, the contribution of secondary flow structures, such as Dean Vortices occurring in“Wavy”(Sinusoidal) to mass transfer by thinning the diffusion boundary layer and their role in water evacuation were analyzed. In the experimental phase, a single cell and a three-cell DMFC stack with optimized active areas were designed and fabricated based on the modeling results. Compared to traditional serpentine and parallel flow fields, it was observed that the proposed wavy channel structure improved reactant distribution while minimizing pressure drop. Response Surface Methodology (RSM) was employed to determine the effects of operating conditions (temperature, methanol concentration, and flow rates) on system performance and to identify the optimum operating point. The findings demonstrated that optimized channel design and operating conditions enhance power density and improve water management while limiting methanol crossover. This study presents a comprehensive methodology for the hydrodynamic and electrochemical optimization of DMFC stacks.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    596143

    An alternative fuel assessment model for ships and experiments on the effect of methanol on diesel engines

    Gemiler için bir alternatif yakıt değerlendirme modeli ve metanolün dizel motorlarda etkileri üzerine deneysel çalışma

    BURAK ZİNCİR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Denizcilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CENGİZ DENİZ

  2. Tez No

    772003

    A lattice modelling framework with applications on reinforced concrete and autoclaved aerated concrete masonry infill walls

    Betonarme ve gaz beton dolgulanmış betonarme çerçevelerin üzerinde uygulamalar ile bir kafes modeli sistemi

    BEYAZIT BESTAMİ AYDIN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BARIŞ BİNİCİ

    PROF. DR. KAĞAN TUNCAY

  3. Tez No

    599062

    Yer radarı yöntemi ile gelişmiş üç boyutlu DNAPL modelleme

    Advanced three-dimensional DNAPL modeling with ground penetrating radar

    KEREM ÖZKAP

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Jeofizik MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ERTAN PEKŞEN

  4. Tez No

    245042

    Sayısal benzetim yöntemi ile yağmur suyu şebekelerinin değerlendirilmesi

    Evaluation of stormwater networks via numerical simulation method

    SARPER GÖZÜTOK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBaşkent Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Bölümü

    DOÇ. DR. NİZAMİ GASİLOV

  5. Tez No

    695246

    İHA görüntülerinden üretilen sayısal yüzey ve arazi modellerinin lidar ve sayısal fotogrametri yöntemleri ile karşılaştırmalı analizi

    Comparative analysis of digital surface and terrain models generated from UAV images with lidar and digital photogrammetry methods

    AKIN BARUN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Jeodezi ve FotogrametriGebze Teknik Üniversitesi

    Harita Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TAŞKIN KAVZOĞLU

    PROF. DR. UMUT GÜNEŞ SEFERCİK

Geri Dön