Özalp, MehmetBayat, Mutlucan2024-09-292024-09-292022https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/TezGoster?key=qVqOZFj2DwNmvdf1oGFYiPzYcXByUX4QNO28xYd5ugWaICNaWQOV_DFkom7qitMihttps://hdl.handle.net/20.500.14619/14003Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Enerji Bilim DalıYüksek sıcaklıkta çalışan bir PEM yakıt hücresinin (YS-PEMYH) performansı, çeşitli operasyonel ve tasarım parametrelerinden oldukça etkilenmektedir. Bu nedenle, bu tezde, fosforik asit (FA) katkılı polibenzimidazol (PBI) membran kullanılan bir YS-PEMYH'nin kapsamlı bir performans değerlendirmesi, enerji ve ekserji analizleri ile yapılmış ve sonuçlar tartışılmıştır. Farklı çalışma koşulları altında performans özelliklerini belirlemek için YS-PEMYH hem hücre hem de yığın bazında elektrokimyasal olarak modellenmiştir. Daha sonra her bir modele termodinamik analizler uygulanmıştır. Hücre bazında elektrokimyasal performans sonuçlarını elde etmek için 0 boyutlu (0-B) ve izotermal model ve 1 boyutlu (1-B) ve yarı ampirik model olmak üzere iki etkili yöntem kullanılmıştır. 0-D & izotermal modelde, polarizasyon eğrisi sonuçları 423 K ve 433 K'de yapılan iki deneysel çalışma ile karşılaştırılmıştır. Önerilen modeli test etmek ve doğrulamak için farklı istatiksel yöntemler uygulanmıştır. Bunun yanı sıra, çalışma sıcaklığı, basınç, bağıl nem ve membran kalınlığının hücre performansı üzerindeki etkileri araştırılmış ve enerji/ekserji verimi, entropi üretim yoğunluğu ve ekserji yıkım oranının değişimi tartışılmıştır. 1-B ve yarı ampirik modelde ise, polarizasyon eğrisi sonuçları, 20 K aralıklarla 393 K ile 453 K arasındaki farklı çalışma sıcaklıklarında gerçekleştirilen dört deneysel çalışma ile karşılaştırılmıştır. Önerilen modelin bu deneysel çalışmalarla ne kadar iyi uyuştuğunu kanıtlamak için her sıcaklık için regresyon modelleri türetilmiştir. Böylece, kaçak akım yoğunluğu ve katkılama seviyesinin hücre performansı üzerindeki etkileri araştırılmış ve enerji, ekserji ve ekolojik analizler gerçekleştirilmiştir. Son olarak, hücre bazlı modellerin yanı sıra, YS-PEMYH, 1-B ve yarı ampirik modele dayalı olarak yığın seviyesinde de modellenmiştir. Bu çalışmada, bir yerleşim alanının enerji talebini karşılamak için YS-PEMYH yığınının şebekeye bağlı bir güneş enerjisi santrali (GES) ve hidrojen üretmek için bir PEM elektrolizör (PEME) yığınından oluşan hibrit bir sisteme entegrasyonu incelenmiştir. Böylece, YS- PEMYH'nin önerilen hibrit sisteme entegrasyonunun uygulanabilir olduğu kanıtlanmış ve diğer sistem bileşenleri ile yığın bazında performans değişimi aylara göre analiz edilmiştir.The performance of a high-temperature PEM fuel cell (HT-PEMFC) is highly affected by various operational and design parameters. Therefore, in this thesis, a comprehensive performance evaluation of an HT-PEMFC employing a phosphoric acid (PA) doped polybenzimidazole (PBI) membrane was performed with energy and exergy analyses, and the results were discussed. In order to determine the performance characteristics under different operational conditions, the HT-PEMFC was electrochemically modelled on both a cell and stack basis. Thermodynamic analyses were then applied to each model. Two effective methods, the 0-dimensional (0-D) & isothermal model and the 1-dimensional (1-D) & semi-empirical model, were used to obtain the electrochemical performance results at the cell level. In the 0-D & isothermal model, the polarization curve results were compared with two experimental studies conducted on 423 K and 433 K. Different statistical methods were applied to test and validate the proposed model. In addition, the effects of operating temperature, pressure, relative humidity, and membrane thickness on the cell performance were investigated, and the variation of energy/exergy efficiency, entropy production density, and exergy destruction rate was discussed. In the 1-D & semi-empirical model, the polarization curve results were compared with four experimental studies performed at different operating temperatures from 393 K to 453 K at 20 K intervals. The regression models were derived for each temperature to prove how well the proposed model agrees with these experimental studies. Thus, the effects of leak current density and doping level on cell performance were investigated, and energy, exergy, and ecological analyses were performed. Finally, apart from the cell-based models, the HT-PEMFC was also modelled in the stack-level based on the 1-D and semi-empirical model. In this study, the integration of an HT-PEMFC stack into a hybrid system consisting of a grid-connected solar power plant (SPP) and a PEM electrolyser (PEME) stack to produce hydrogen was investigated to meet the energy demand of a residential area. Thus, the integration of HT-PEMFC into the proposed hybrid system was proven feasible, and the performance variation on a stacked basis with other system components was analysed monthly.eninfo:eu-repo/semantics/openAccessEnerjiEnergy ; Makine MühendisliğiDoctoral Thesis2301769378