Araştırma, hücre başına 280 cm² aktif alana sahip 400 hücreli bir PEMFC yığınını MATLAB-Simscape ortamında modelleyerek 40, 50, 60 ve 70 °C giriş sıcaklıklarının aynı dinamik yük döngüsü altındaki etkisini incelemektedir. Hidrojen besleme basıncı modelde 70 MPa'da sabit tutulmuştur. Sıcaklık yükseldikçe özellikle yüksek akım yoğunluğundaki polarizasyon davranışı ve güç kararlılığı iyileşmiş; 70 °C en güçlü yüksek-akım toleransını vermiştir. Buna karşılık termal yük de yükselmiş ve tepe yığın sıcaklığı 40 °C giriş durumundaki 353 K'den 70 °C durumunda 364 K'ye çıkmıştır. Yazarlar 60–70 °C aralığını en kullanışlı çalışma penceresi olarak değerlendirirken, 60 °C'yi performans ile termal/hidrasyon marjı arasında daha ihtiyatlı denge noktası olarak önermektedir. Bu sonuçlar deneysel olarak aynı yığın ve aynı dinamik yük profiliyle doğrulanmadığından nicel tasarım veya kontrol sistemi sertifikasyonu kanıtı değildir.

Dinamik yük sırasında akım yoğunluğunun yaklaşık 0,95 A cm⁻²'ye, ısı üretiminin yaklaşık 37–40 kW'a, ürün suyu oluşumunun yaklaşık 10 g s⁻¹'ye ve hidrojen tüketiminin yaklaşık 1,1 g s⁻¹'ye ulaştığı raporlanmaktadır. Dört sıcaklık koşulunun tümü zamanla yaklaşık 353 K, yani yaklaşık 80 °C civarındaki yarı-kararlı bir yığın sıcaklığına yaklaşmıştır.

Araştırmanın temel sorusu nedir?

PEMFC performansını yalnızca en yüksek elektrik gücüyle değerlendirmek yeterli değildir. Sıcaklık; elektrot reaksiyon kinetiğini, proton taşınımını, membran hidrasyonunu, gaz taşınımını, ürün suyunun uzaklaştırılmasını ve malzeme bozunmasını aynı anda etkiler. Düşük sıcaklıklarda reaksiyon kinetiği yavaşlayabilir ve su birikimi elektrotlarda taşmaya yol açabilirken, daha yüksek sıcaklıklarda daha iyi kinetik davranış membran kuruması, artan omik direnç ve hızlanan malzeme yıpranmasıyla dengelenebilir.

Çalışmanın sorusu bu nedenle “en yüksek gücü hangi sıcaklık verir?” şeklinde dar tutulmamıştır. Yazarlar güç tepkisini, sıcaklık tepesini, su üretimini ve hidrojen kullanımını birlikte değerlendirerek 400 hücreli modellenmiş sistem için hangi giriş sıcaklığı aralığının daha uygulanabilir olduğunu araştırmaktadır.

Neden dinamik yük kullanılmıştır?

PEMFC sistemlerinin otomotiv, taşınabilir güç veya şebeke destek uygulamalarında sabit akımla çalışması beklenmez. Yük artıp azaldığında akım yoğunluğu, yığın gerilimi, ısı üretimi, hidrojen tüketimi ve su oluşumu da geçici olarak değişir. Bu dinamik davranış özellikle soğutma sistemi, nemlendirici, hidrojen besleme sistemi ve kontrol stratejisinin tasarımını etkiler.

Bu nedenle dört sıcaklık koşuluna farklı yükler uygulanmamış; sıcaklığın etkisini mümkün olduğunca izole etmek amacıyla bütün koşullarda aynı dinamik yük profili, aynı simülasyon süresi, aynı başlangıç şartları ve aynı yardımcı sistem ayarları korunmuştur.

MATLAB-Simscape modeli hangi bileşenleri içeriyor?

Şekil 1'deki sistem mimarisi yalnız PEMFC elektrokimyasal bloğundan oluşmamaktadır. Modelde hidrojen kaynağı, oksijen kaynağı, anot ve katot gaz kanalları, anot ve katot nemlendiricileri, egzoz alt sistemleri, resirkülasyon yolu, soğutma sistemi, membran-elektrot düzeneği (MEA), termal kütle, ölçüm portları ve elektriksel yük birlikte gösterilmektedir.

Bu yaklaşım çalışmanın yalnız hücre voltajına değil, balance-of-plant olarak adlandırılan yardımcı sistem gereksinimlerine de odaklandığını göstermektedir. Özellikle soğutma, nemlendirme ve hidrojen beslemesi sonuç yorumunun doğrudan parçasıdır.

40 ve 50 °C neden çalışmaya dahil edildi?

Makale, geleneksel düşük sıcaklıklı PEMFC yığınlarının yaklaşık 60–80 °C aralığında çalıştırıldığını belirtmektedir. Buna rağmen 40 ve 50 °C koşulları “daha iyi” çalışma noktaları olarak değil, soğuk ve optimum-altı çalışmanın cezasını görünür kılan tanısal sınır koşulları olarak korunmuştur. Böylece yığın normal termal aralığa ulaşmadan önce kinetik ve su yönetimi sınırlamalarının etkisi karşılaştırılabilmektedir.

Model nasıl doğrulanmıştır?

Çalışma deneysel doğrulama yerine üç kademeli fiziksel tutarlılık kontrolü kullanmaktadır.

1. Polarizasyon eğrisinin aktivasyon, omik ve kütle taşınım kayıplarına karşılık gelen beklenen davranış sırasını göstermesi kontrol edilmiştir.
2. Dinamik yük arttığında akım talebinin yükselmesiyle birlikte gerilimin düşmesi, ısı üretiminin, hidrojen tüketiminin ve ürün suyu oluşumunun artması gibi değişkenler arası fiziksel bağ kontrol edilmiştir.
3. Sıcaklık yükselirken reaksiyon kinetiği ve yüksek-akım gerilim tutunmasının iyileşmesi gibi genel eğilimler literatürde raporlanan PEMFC davranışlarıyla nitel olarak karşılaştırılmıştır.

Bu kontroller model sonuçlarının fiziksel olarak makul olup olmadığını sınamaktadır; fakat aynı 400 hücreli yığın ve aynı dinamik yük profiline ait deneysel verilerle sayısal hata düzeyinde eşleştirme yapılmadığı için çalışma nicel deneysel validasyon sunmamaktadır.

Polarizasyon eğrileri ne gösteriyor?

Şekil 2'de hücre gerilimi akım yoğunluğu arttıkça bütün sıcaklıklarda düşmektedir. Kaynak bu davranışı düşük akım yoğunluğunda aktivasyon kayıpları, orta bölgede omik kayıplar ve yüksek akım yoğunluğunda kütle taşınımı sınırlamalarıyla ilişkilendirmektedir.

40 °C durumu yüksek akım bölgesinde en zayıf davranışı vermektedir. Sıcaklık 50, 60 ve 70 °C'ye çıkarıldıkça gerilim tutunması iyileşmektedir. Kaynakta 70 °C eğrisi en geniş yüksek-akım toleransına ve en güçlü güç yoğunluğu davranışına sahip olarak yorumlanmaktadır. Bununla birlikte yazarlar bu sonucu “70 °C mutlak optimumdur” şeklinde yorumlamamaktadır; çünkü termal stres ve hidrasyon riski sıcaklık arttıkça önem kazanmaktadır.

Yığın sıcaklığı nasıl değişmiştir?

Dört durumda da yığın, ilk geçici rejimin ardından yaklaşık 300–500 saniye içinde 353 K civarındaki yarı-kararlı sıcaklığa yaklaşmaktadır. Yazarlar bunu soğutma sisteminin ve yığının termal kütlesinin sistemi benzer bir nominal çalışma sıcaklığına yönlendirmesiyle açıklamaktadır.

Ancak kısa süreli tepe sıcaklıkları aynı değildir:

40 ve 70 °C koşulları arasındaki tepe sıcaklığı farkı 11 K'dir. Makale, 364 K değerinin dağıtılmış hücre sıcaklığının gerçek yerel maksimumu olarak yorumlanmaması gerektiğini özellikle belirtmektedir. Model yığın sıcaklığını lumped, yani toplulaştırılmış sistem değişkeni olarak ele aldığı için yerel sıcak noktaları, hücreler arası sıcaklık farklılıklarını, membran kuruma cephesini veya bölgesel su birikimini çözemez.

Verianla Live: Görselleştirme, bu makaledeki görünür bilimsel veri tablosundan tarayıcıda oluşturulur. Tablo bilimsel kaynak-of-truth olarak korunur.

Akım yoğunluğu ve gerilim kararlılığı

Bütün sıcaklık durumlarında dinamik akım yoğunluğu tepe değeri yaklaşık 0,95 A cm⁻² olarak raporlanmıştır. Tepe değerlerinin birbirine yakın olması, anlık akım talebinin giriş sıcaklığından çok uygulanan ortak dinamik yük profili tarafından belirlendiğini düşündürmektedir.

Buna karşılık yüksek sıcaklıklarda gerilim davranışı bir miktar daha kararlıdır. Kaynak bunu aktivasyon ve omik kayıpların azalmasıyla ilişkilendirmektedir. Böylece sıcaklık yalnız enerji üretimini değil, yük geçişlerindeki gerilim düşüşünün yönetimini de etkileyen bir kontrol değişkeni haline gelmektedir.

Isı üretimi ve soğutma ihtiyacı

Dinamik yük sırasında ısı üretimi de akım ve gerilimle birlikte değişmiştir. Kaynak bütün sıcaklık koşullarında tepe ısı üretimini yaklaşık 37–40 kW aralığında vermektedir. Bu bulgu, soğutma sisteminin ortalama termal yüke değil kısa süreli tepe ısı uzaklaştırma gereksinimine göre değerlendirilmesi gerektiğinin temel dayanağıdır.

70 °C giriş koşulu elektriksel performans açısından en kuvvetli olmasına rağmen 364 K tepe sıcaklığı nedeniyle membran hidrasyonu ve termal dayanıklılık açısından daha dar bir güvenlik marjı sunmaktadır.

Ürün suyu neden kritik?

PEMFC'de su oluşumu elektrokimyasal reaksiyon hızının doğal sonucudur; fakat su yönetimi iki yönlü bir problemdir. Fazla su elektrot bölgelerinde birikerek oksijen erişimini azaltabilir, yetersiz su ise membranın kurumasına ve proton taşınım direncinin yükselmesine neden olabilir.

Simülasyonda ürün suyu oluşumu yük profilini izlemiş, yüksek akım dönemlerinde yaklaşık 10 g s⁻¹'ye ulaşmış; düşük yük dönemlerinde yaklaşık 0–4 g s⁻¹ aralığına yaklaşmıştır. Çalışmanın mühendislik yorumu, nemlendirme ve su uzaklaştırmanın sabit bir yardımcı fonksiyon değil, yükle birlikte dinamik olarak yönetilmesi gereken bir sistem olmasıdır.

Hidrojen tüketimi ne kadar?

Kaynak nominal çalışma sırasında ortalama tüketimin yaklaşık 0,4 g s⁻¹'ye kadar çıktığını, tepe talebin ise yaklaşık 1,1 g s⁻¹'ye ulaştığını bildirmektedir. Bu sonuç hidrojen besleme hattının yalnız ortalama tüketim üzerinden boyutlandırılmasının geçici yüksek talepte basınç düşümü oluşturabileceği yorumuna bağlanmıştır.

Dolayısıyla sıcaklık optimizasyonu hidrojen akışından ayrı düşünülemez; yazarlar kontrol sisteminin sıcaklık, reaktan beslemesi ve su yönetimini birlikte koordine etmesi gerektiğini savunmaktadır.

60 °C mi, 70 °C mi?

Çalışma tek bir “optimum sıcaklık” ilan etmek yerine 60–70 °C çalışma penceresi önermektedir. 70 °C yüksek akım ve güç cevabını en çok destekleyen koşuldur. Ancak 70 °C aynı zamanda 364 K ile en yüksek geçici yığın sıcaklığını üretmektedir. 60 °C ise yüksek akım performansında 40 ve 50 °C'ye göre belirgin iyileşme sağlarken tepe sıcaklığını 357 K'de tutmaktadır.

Bu nedenle yazarların mühendislik kararı şöyledir: yüksek geçici güç öncelikliyse ve güçlü soğutma/nemlendirme kapasitesi varsa 70 °C çekici bir çalışma noktasıdır; dayanıklılık ve kontrol marjı öncelikliyse 60 °C daha ihtiyatlı seçimdir.

Kaynak görsellerindeki önemli etiketleme sorunları

Kaynağın sayısal sonuçları yorumlanırken önemli bir yayın içi tutarsızlık bulunmaktadır. Şekil 3'ün açıklaması sıcaklık tepkisini ifade ettiği halde görünür grafiklerde “Cell 1–4” ve “Efficiency (%)” etiketleri vardır. Şekil 6 ve 7'de ise sırasıyla su üretimi ve hidrojen tüketimi anlatılırken dikey eksen “Power (W)” olarak görünmektedir. Bu nedenle Verianla anlatımında bu grafiklerden yeni nicel değer okunmamış, metin ve Tablo 2 esas alınmıştır.

Türkiye açısından olası anlamı

Çalışma Malezya'da geliştirilmiş bir MATLAB-Simscape modeline dayanmaktadır ve Türkiye'deki belirli bir yakıt hücresi yığını veya hidrojen altyapısı üzerinde doğrulanmamıştır. Bununla birlikte yöntem; Türkiye'de yakıt hücresi sistemleri, hidrojenli mobilite, dağıtık enerji veya üniversite düzeyinde kontrol ve enerji sistemleri çalışmalarında sıcaklık–güç–su–hidrojen etkileşimini sistem düzeyinde incelemek için öğretici bir modelleme çerçevesi sunabilir. Gerçek uygulama için ise belirli fiziksel yığının polarizasyon verileri, EIS ölçümleri, sıcaklık dağılımı, hidrojen akışı ve su dengesiyle yerel deneysel doğrulama gerekir.

Çalışma neyi destekliyor?

• Model içinde giriş sıcaklığının 40'tan 70 °C'ye yükselmesi yüksek-akım polarizasyon tepkisini iyileştirmektedir.
• 60–70 °C aralığı modellenen sistem için en kullanışlı performans/termal denge aralığıdır.
• 70 °C en güçlü yüksek-akım ve güç tepkisini vermektedir.
• 60 °C daha geniş termal ve hidrasyon marjı sunan ihtiyatlı çalışma noktasıdır.
• Dinamik soğutma, nemlendirme ve hidrojen besleme kapasitesi tepe yükler dikkate alınarak tasarlanmalıdır.

Çalışma neyi kanıtlamıyor?

• Aynı 400 hücreli fiziksel PEMFC yığını üzerinde deneysel doğrulanmış mutlak performans değerlerini.
• 364 K'nin her hücredeki gerçek yerel maksimum sıcaklık olduğunu.
• Uzun dönem katalizör yaşlanmasını veya membran kimyasal bozunmasını.
• Hücreden hücreye dağılımı ve yerel sıcak noktaları.
• Üretim toleransı, sensör belirsizliği ve mekanik gerilim etkilerini.
• 60 veya 70 °C'nin bütün PEMFC sistemleri için evrensel optimum olduğunu.
• Kontrol sistemi sertifikasyonu veya mutlak bileşen boyutlandırması için yeterli deneysel doğrulamayı.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Kontrollü dört sıcaklık deneyi

Journal sürümünün önceki tez modelinden temel farkı yeni bir elektrokimyasal denklem takımı tanımlaması değildir. Yazarlar açıkça, mevcut yığın mimarisini daha odaklı bir dinamik sıcaklık taramasına dönüştürdüklerini belirtmektedir. Dört sıcaklık koşulu aynı dinamik girdiler altında karşılaştırılmış, elektrokimyasal ve yardımcı sistem çıktıları tek bir karar çerçevesinde birleştirilmiştir.

Kaydedilen değişkenler

• Yığın/hücre gerilimi
• Akım yoğunluğu
• Elektriksel güç
• Yığın sıcaklığı
• Üretilen veya uzaklaştırılan ısı
• Ürün suyu oluşumu
• Hidrojen tüketimi

Polarizasyon ve güç yoğunluğu eğrileri elektrokimyasal tepkiyi; zaman alanındaki çıktılar ise geçici kararlılığı, soğutma yükünü, su yönetimini ve reaktan besleme gereksinimini değerlendirmek için kullanılmıştır.

Modelin yöntemsel sınırları

Model toplulaştırılmış yığın sıcaklığı ve önceden tanımlı bileşen parametreleri kullanmaktadır. Yerel sıcak noktalar, hücreden hücreye sıcaklık farkları, membran kuruma cepheleri ve uzaysal su birikimi çözümlenmemektedir. Uzun dönem katalizör yaşlanması, membran kimyasal bozunması, mekanik gerilim, üretim değişkenliği, sensör belirsizliği ve hücreler arası akış dağılımı da açıkça modellenmemiştir.

Hidrojen basıncı ve yardımcı sistem parametreleri belirli bir fiziksel yığın üzerinde deneysel kalibre edilmiş değerler değil, model girdileridir. Dolayısıyla karşılaştırmalı sıcaklık eğilimi çalışmanın asıl güçlü sonucudur; mutlak bileşen boyutlandırması veya ömür tahmini değildir.

Gelecek doğrulama adımları

Yazarlar gelecekte modelin aynı geçici yük döngüsünde elde edilmiş polarizasyon eğrileri, elektrokimyasal empedans spektroskopisi, dağıtılmış yığın sıcaklığı ölçümleri, hidrojen akış verileri ve su dengesi verileriyle doğrulanmasını önermektedir. Ayrıca uzaysal sıcaklık/hidrasyon etkileri, bozunma alt modelleri ve soğutma, nemlendirme ile hidrojen beslemesinin kapalı çevrim kontrolü modele eklenmelidir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Tam özgün başlık: DYNAMIC TEMPERATURE-DEPENDENT SIMULATION OF A 400-CELL PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL STACK USING MATLAB-SIMSCAPE

Yazarlar: Wan Ahmad Saffuan bin Wan Mohamed Salleh; Sahriah Basri

Sorumlu yazar: Sahriah Basri

Kurum: Fuel Cell Institute, Universiti Kebangsaan Malaysia, 43600 Bangi, Selangor, Malaysia

Dergi: Malaysian Journal of Energy and Applications

Cilt: 1 (2026)

DOI: 10.17576/myjea.2026.01.71

Gönderim: 2 Temmuz 2026

Revizyon: 16 Temmuz 2026

Kabul: 16 Temmuz 2026

Çevrimiçi erişim: 20 Temmuz 2026

Yayımlayan: Institut Sel Fuel (SELFUEL), Universiti Kebangsaan Malaysia

Lisans: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Finansman: Ministry of Higher Education — HiCoE (SELFUEL): HiCoE-2023-001; Universiti Kebangsaan Malaysia — UKM-TR 2024-17.

Yazar katkıları: İki yazar bütün araştırma ve makale aşamalarına eşit katkı bildirmiştir.

Çıkar çatışması: Yazarlar çıkar çatışması olmadığını beyan etmektedir.

Veri erişilebilirliği: MATLAB-Simscape modelinden üretilen simülasyon verilerinin makul talep üzerine sağlanabileceği belirtilmiştir.

Bilimsel içerik yüklenen çalışmanın kendi model açıklaması, Tablo 1–2 ve Şekil 1–7'sine dayanmaktadır. Çalışmada açık bir PEMFC yönetici denklem takımı verilmediğinden kaynak dışından elektrokimyasal denklem eklenmemiştir. Model yalnız fiziksel tutarlılık ve literatür eğilimleri düzeyinde değerlendirilmiştir; aynı 400 hücreli sistem için eşlenmiş deneysel doğrulama mevcut değildir. Bu nedenle sonuçlar karşılaştırmalı eğilim analizi ve ön çalışma penceresi seçimi için uygundur; mutlak performans sertifikasyonu, bileşen boyutlandırması veya ömür tahmini olarak yorumlanmamalıdır.

Kaynakta ayrıca görsel etiketleme tutarsızlıkları bulunmaktadır: özellikle Şekil 3'ün görünür içeriği açıklamasıyla uyuşmamakta; su ve hidrojen grafiklerinde dikey eksen “Power (W)” biçiminde görünmektedir. Bu tutarsızlıklar sessizce düzeltilmemiş, makaledeki açık metinsel ve tablosal değerler temel alınmıştır.