Bu çalışmada, yüksek verimlilikleri ve çevre dostu teknolojiler olmaları sebebiyle tercih edilen, güvenilir güç
üretim tekniklerinden biri olan yüksek sıcaklık proton değişim membran (YSPEM) yakıt hücreleri kullanılarak bir evsel
mikro-kojenerasyon (birlikte ısı-güç) sistemi tasarlanmıştır. Tasarlanan sistem, YSPEM yakıt hücresi tarafından
üretilen elektrik gücü ve faydalı ısının kombine bir şekilde, kullanılmasını içermektedir. Hücrenin çalışması sırasında,
yüksek performans ve kararlı güç üretimi sağlanabilmesi için hücre içerisinde üretilen ısının uzaklaştırılması ve hücre
içi sıcaklığın sabit kalması gerekmektedir. Bu sebeple tasarlanan yenilikçi soğutma sisteminin atık ısısı, sıcak su
ısıtmasında kullanılacak olan ısıl enerjinin teminini sağlamaktadır. Böylelikle toplam verim basit çevrimlere göre
yaklaşık iki katına çıkabilmektedir. Çalışma kapsamında tasarlanan 225 W gücünde YSPEM yığını 160°C çalışma
sıcaklığında hidrojen ve hava gazları ile test edilmiştir. Çalışması sırasında sıcaklığın hücre içerisinde homojen olarak
dağılımı, hücrenin kısa sürede gerekli çalışma sıcaklığına ulaşabilmesi, yakıt hücresinde oluşan ısının hücreden sürekli
olarak uzaklaştırılabilmesi için yakıt hücresi yığını soğutucu akışkan (Isı Transfer Yağı 32-Petrol Ofisi) kullanılarak
soğutulmuştur. Hücre izolasyon malzemesi seçimi ve kalınlığı, doğal taşınım ve radyasyon yolu ile ısı kaybı hesabıyla
belirlenmiştir. Maksimum verim çalışma koşulları için mikro-kojenerasyon sisteminin su giriş çıkış sıcaklıkları, su ve
soğutucu akışkan debileri, uygun boru çapı hesabı ve pompa güç hesabı yapılarak nihai sistem tasarlanmıştır. Çalışmada
tasarlanan kojenerasyon sisteminde, YSPEM yığınının soğutulması ile açığa çıkan atık ısı, 15-20C’lik şebeke suyunun
ısıtılması için kullanılmıştır. Şebeke suyu sıcaklığı yalıtımlı hücre kullanılması durumunda ortalama 50C’ye kadar
ısıtılmıştır. Elde edilen veriler yakıt hücresi mikro-kojenerasyon uygulamasının kullanılabilirliğini göstermektedir.
Anahtar Kelimler: YSPEM, Yakıt hücresi, Polibenzimidazol membran, Mikro-kojenerasyon
In this study, a house hold micro-cogeneration system is designed using high temperature proton exchange
membrane (HTPEM) fuel cell. HTPEM type fuel cells gain the highest interest lately, due to their advantages in terms
of increasing efficiency and power quality, reducing harmful emissions and flexibility of operation with respect to the
other fuels. The micro-cogeneration system involves producing both electrical energy and hot water and/or vapor
together in an economical way, utilizing single fuel (HTPEM fuel cells) for household applications. During the
operation of the fuel cell, for high efficiency and stable power production, the access heat of the stack should be removed
constantly and the temperature of the stack should be held stable. Heat recovered from the designed innovative cooling
system is used for acquiring energy for heating water. This way, thermal efficiency is almost doubled compared to
simple cycle. In the scope of this study, 225 W HTPEM fuel cell stack is designed and tested at 160°C operation
temperature with hydrogen gas and air. During operation, for homogenous distribution of temperature among the cells,
for a short start up period leading to a fast required steady state temperature and for constantly removing the access heat
produced in the cell, the cell stack is cooled by using a cooling fluid (Heat Transfer Oil 32- Petrol Ofisi). Selection of
insulation material type and thickness for the cell stack is done using natural convection and radiation loss calculations.
For the most efficient operating conditions, micro-cogeneration system water inlet and exit temperatures, water and
cooling fluid flow rates, convenient pipe diameter and pump power calculations are done to finalize the design. With
the cogeneration system designed during the studies, by recovering the access heat of the insulated HTPEM cell stack,
district water with initial temperature of 15-20 C is heated around 50 C. Data gathered during studies indicate that
fuel cell micro-cogeneration application is highly viable.
