PEM su elektrolizörlerinde poröz taşıma tabakası (PTL), katalizör tabakası ile akış alanı plakası arasında elektrik ve ısı iletimi sağlarken suyun reaksiyon bölgesine ulaşması ve oluşan gazların uzaklaştırılması için temel taşıma yolunu oluşturur. Bu çalışmada klasik dikey gözenekler yerine, akış yönünde birbirine simetrik iki eğik kanaldan oluşan yeni bir PTL geometrisi incelenmiştir. Amaç yalnız akış direncini düşürmek değil; sıvı beslemesini, kabarcık tahliyesini, katı-sıvı ara yüzündeki ısı transferini ve termal-mekanik kararlılığı aynı mikrogeometri içinde dengelemektir.

Simetrik çift eğik tasarımda iki temel parametre değiştirilmiştir: eğim açısı \(\theta=30°,45°,60°,75°\) ve iki eğik gözenek arasındaki örtüşme alanı oranı \(\beta=14,43\%,39,10\%,68,50\%,100,00\%\). Gözenek çapı 0,8 mm, kanal genişliği 1 mm, kanal yüksekliği 1 mm, rib genişliği 1 mm ve PTL kalınlığı 1 mm olarak sabit tutulmuştur. Dikey gözenek karşılaştırması \(\theta=90°\) geometrisiyle yapılmıştır.

Sonuçlar çift eğik duvarların ana akışı aşağı doğru yönlendirerek gözenek boyunca devam eden konvektif bir yol oluşturduğunu göstermektedir. Dikey gözenekte ise kapalı çevrimli vorteksler ve düşük hızlı stagnasyon alanları ortaya çıkmıştır. Kabarcık deneyinde 30°'den 45°'ye geçiş, büyük kabarcıkların gözenek çıkışından tahliye oranını yaklaşık %52'den %77'ye yükseltmiştir.

Isı transferi açısından bütün çift eğik yapılar karşılık gelen dikey gözeneklerden daha yüksek ortalama duvar ısı akısı üretmiştir. \(\theta\)'nın 30°'den 75°'ye çıkması ısı akısı dağılımının homojenliğini yaklaşık %26 iyileştirmiştir. \(\beta\)'nın 14,43%'ten 100%'e çıkarılması da homojenliği belirgin biçimde artırmış ve yüksek ısı akılı duvar alanı oranını yaklaşık %29 yükseltmiştir.

Mekanik analiz, eğik gözeneklerin bazı geometrilerde pore-edge seviyesinde daha yüksek lokal gerilme konsantrasyonları oluşturabildiğini; buna karşılık gelişmiş konvektif soğutmanın sıcaklık farkını ve toplam termal yükü azalttığını göstermektedir. Bütün çift eğik konfigürasyonlarda maksimum deplasman karşılık gelen dikey gözeneklerden düşük bulunmuştur. Bu nedenle çalışma tek bir optimum açı önermekten ziyade, termal, hidrolik ve mekanik gereksinimlerin birlikte optimize edilmesi gerektiğini ortaya koymaktadır.

PTL neden PEM elektrolizörün kritik bileşenlerinden biridir?

PEM su elektrolizinde reaksiyon bölgesine sürekli su ulaştırılması ve oluşan gazların hızla uzaklaştırılması gerekir. PTL bu taşıma süreçlerinin yanı sıra katalizör tabakası ile akış alanı arasında elektriksel ve termal bağlantıyı da sağlar. Gözeneklerde oksijen birikmesi gaz tıkanmasına, konsantrasyon polarizasyonuna ve verim düşüşüne neden olabilir. Yerel su eksikliği ise katalizör tabakasında kuruma ve geri dönüşsüz bozulma riski oluşturabilir.

Termal açıdan da homojenlik önemlidir. Akış kanalının aşağı akımında su ısındıkça soğutma kapasitesi azalabilir ve lokal sıcak noktalar gelişebilir. Tekrarlanan başlatma-durdurma veya değişken yük işletimi sırasında bu sıcaklık gradyentleri termal genleşme ve mekanik yorulmayla birleşebilir.

Simetrik Çift Eğik Gözenek Yapısı Nasıl Çalışıyor?

Yeni geometride iki eğik gözenek sıvı akış yönü boyunca birbirine simetrik yerleştirilmiştir. Kanalın üstünden bakıldığında iki gözenek CL–PTL yüzeyinde belirli bir bölgede örtüşür. Bu örtüşme \(\beta\) ile, gözenek ekseninin yatay/dikey yönelimi ise \(\theta\) ile kontrol edilir. Eğik duvarların amacı ana akımı birdenbire 90° çevirmek yerine daha yumuşak biçimde katalizör tabakasına yönlendirmek, ardından reaksiyona girmemiş suyu ve gazı ikinci eğik kanaldan tekrar ana akışa taşımaktır.

Kaynak Şekil 1'deki geometri özellikle öğreticidir: çift eğik yapı önden bakıldığında V-benzeri bağlantılı bir kanal oluştururken dikey referansta iki ayrı silindirik delik vardır. \(\beta=14,43\%,39,10\%\) ve \(68,50\%\) modellerinde CL–PTL yüzeyindeki keskin kenarlar sayısal gerilme tekilliğini azaltmak amacıyla 0,05 mm yarıçapla yuvarlatılmıştır.

Termal-hidrolik denklemler

Akış alanında kütlenin korunumu:

\[ \frac{\partial\rho}{\partial t}+ \frac{\partial(\rho u_i)}{\partial x_i}=0 \tag{1} \]

Momentum denklemi:

\[ \rho\frac{\partial u_j}{\partial t} +\rho u_i\frac{\partial u_j}{\partial x_i} = -\frac{\partial p}{\partial x_j} + \frac{\partial}{\partial x_i} \left[ \mu \left( \frac{\partial u_j}{\partial x_i} + \frac{\partial u_i}{\partial x_j} \right) -\frac{2}{3}\mu \frac{\partial u_k}{\partial x_k}\delta_{ij} \right] +F_j \tag{2} \]

Akışkan enerji denklemi:

\[ \rho C_P\frac{\partial T}{\partial t} + \rho C_Pu_i\frac{\partial T}{\partial x_i} - \frac{\partial}{\partial x_i}(\lambda\nabla T) = Q \tag{3} \]

ve viskoz enerji kaynağı:

\[ Q=\tau_{ij}\frac{\partial u_i}{\partial x_j} \tag{4} \]

olarak modellenmiştir.

Katı PTL'de iletim:

\[ -\frac{\partial}{\partial x_i} (\lambda\nabla T) = Q_1+Q_2 \tag{5} \]

şeklindedir. \(Q_1\) Joule ısınmasını, \(Q_2\) dış çevreyle konvektif ısı alışverişini temsil eder.

Joule ısı kaynağı:

\[ Q_1=\mathbf{J}\cdot\mathbf{E} \tag{6} \]

\[ \mathbf{J}=\xi\mathbf{E} \tag{7} \]

ve:

\[ Q_1=\frac{J^2}{\xi} \tag{8} \]

ilişkileriyle hesaplanmıştır.

Mekanik model

Katı yapıdaki normal ve kayma gerilmeleri mekanik denge, gerinim–yer değiştirme ve genelleştirilmiş Hooke yasasıyla çözülmüştür. Termal genleşme doğrudan constitutive ilişkiye eklenmiştir:

\[ \varepsilon_x = \frac{1}{E} [\sigma_x-\eta(\sigma_y+\sigma_z)] +\alpha\Delta T \]

\[ \varepsilon_y = \frac{1}{E} [\sigma_y-\eta(\sigma_x+\sigma_z)] +\alpha\Delta T \]

\[ \varepsilon_z = \frac{1}{E} [\sigma_z-\eta(\sigma_x+\sigma_y)] +\alpha\Delta T \tag{12} \]

Bu terimler nedeniyle akış ve ısı transferindeki her geometrik değişiklik mekanik çözüme de doğrudan yansımaktadır: daha iyi soğutma, daha küçük \(\Delta T\) ve dolayısıyla daha düşük termal genleşme sürücüsü anlamına gelir.

COMSOL sınır koşulları

Grid bağımsızlığı

Dikey gözenekli temsilî modelde 408.013, 594.301, 796.549 ve 1.409.323 eleman karşılaştırılmıştır. 594.301'den daha yüksek gridlere geçildiğinde ortalama konvektif ısı transfer katsayısı, kanal basınç düşümü ve hacim ortalamalı eşdeğer gerilme değişimleri %1'in altında kalmıştır. Bu nedenle bütün geometri karşılaştırmalarında 594.301 eleman seviyesindeki mesh stratejisi kullanılmıştır.

Model Deneysel Olarak Nasıl Doğrulandı?

Akış modeli gerçek PEM elektrolizör düzeneğinde anodik PTL üzerinden ölçülen basınç düşümüyle sınanmıştır. 80 °C ve ortam basıncında yapılan basınç düşümü deneyinde anoda 18 ml/dak su verilmiştir. Çift eğik yapı için deney 26,57 Pa, simülasyon 25,98 Pa; dikey yapı için deney 24,43 Pa, simülasyon 23,90 Pa vermiştir. Kaynak her iki sapmanın da %5'in altında olduğunu bildirerek akış modelini kabul edilebilir düzeyde doğrulamaktadır.

Kabarcık hareketi ayrıca 80 °C, ortam basıncı ve 50 ml/dak anodik su debisinde 2.000 fps yüksek hızlı kamera ile görüntülenmiştir.

Doğrudan mekanik deney ise milimetre ölçeğindeki yapı nedeniyle yapılmamıştır. Yazarlar strain gauge yerleşimi, yükleme hassasiyeti ve sınır koşulu kontrolünü temel deneysel zorluklar olarak belirtmektedir. Bu nedenle mekanik model iki dairesel delikli plaka için analitik gerilme konsantrasyonu eğilimleriyle karşılaştırılmıştır. Dolayısıyla mekanik doğrulamanın kanıt düzeyi akış doğrulamasından daha düşüktür.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Kabarcıklar neden bazen gözenek girişinden geri çıkıyor?

Çalışmanın basitleştirilmiş kuvvet modeline göre gözenek içindeki büyük kabarcık üzerinde ana olarak su akışının sürükleme kuvveti ve kanal içindeki basınç gradyanı etkilidir. Model kabarcık ağırlığını, kaldırma kuvvetini, ayrıntılı sınır tabakalarını ve düzensiz kabarcık şekillerini ihmal ederek kabarcığı küresel kabul etmektedir.

İki eğik deliğin bağlantı bölgesi kabarcıktan daha dar olduğunda kabarcık bu darboğazı geçemez. Gözenek kanalında basınç yükseldikçe basınç gradyanı suyun sürükleme kuvvetini aşabilir ve kabarcığı gözenek girişine doğru geri itebilir.

Eğim Açısının Kabarcık Tahliyesine Etkisi Nedir?

\(\beta=14,43\%\) altında 30° ve 45° geometriler karşılaştırıldığında 30° yapı ana akışı daha yumuşak yönlendirir ancak gözenek içindeki taşıma yolu uzundur. 45° yapı daha güçlü vorteksler oluştursa da yol kısalır ve kabarcıkların çıkışa yönlendirilmesi güçlenir. Sonuçta büyük kabarcıkların gözenek çıkışından tahliye oranı yaklaşık %52'den %77'ye yükselmiştir.

30° yapıda büyük bir kabarcığın girişten boşalma süresi yaklaşık 2 ms iken 45° yapıda güçlü vorteks nedeniyle yaklaşık 150 ms'ye çıkmıştır. Bu ilk bakışta 45°'nin kötü görünmesine neden olabilir; fakat aynı yapı daha kısa kanal nedeniyle büyük kabarcık oluşumunu azaltmış ve toplamda çıkış yönündeki tahliyeyi belirgin biçimde artırmıştır.

Hidrolik alan

Dikey gözeneklerde kapalı çevrimli vorteksler, düşük gözenek tabanı hızı ve stagnasyon alanları oluşmuştur. Çift eğik gözeneklerde ise duvarlar ana akışı kanal boyunca yönlendirerek sıvının katalizör tabakası yakınlarına ulaşmasını sağlamıştır.

\(\theta\) 30°'den 75°'ye çıkarıldığında gözenek giriş kenarındaki karakteristik hız sırasıyla yaklaşık 0,30; 0,21; 0,21 ve 0,20 m/s olarak verilmiştir. Küçük açı, suyun ana akımdan daha yumuşak ayrılmasına izin verir.

\(\beta\) arttıkça iki eğik kanal arasındaki bağlantı alanı genişlemiş, direnç azalmış ve yüksek hızlı akış bölgesi büyümüştür.

Çift eğik yapıların mutlak basınç düşümü karşılık gelen dikey modellerden biraz daha yüksektir. Bunun karşılığında gözenek içi su yenilenmesi ve kabarcık tahliyesi iyileşmektedir. \(\theta\) veya \(\beta\) arttıkça bu basınç düşümü farkı küçülür.

Çift Eğik Gözenek Isı Transferini Nasıl İyileştiriyor?

Dikey gözenek içinde sıfıra yaklaşan hız bölgeleriyle yüksek sıcaklık bölgeleri çakışmaktadır. Bu, stagnasyon nedeniyle ısının birikmesine işaret eder. Çift eğik geometride ise sıvı ana kanaldan CL yönüne, ardından tekrar ana akışa taşınarak sürekli konvektif bir soğutma yolu oluşturur.

PDF'nin 19. ve 33. sayfalarındaki sıcaklık haritalarında çift eğik gözenek bölgeleri daha geniş mavi/düşük sıcaklıklı alanlar göstermektedir. Isı akısı vektörleri eğik duvar boyunca yönlenirken dikey gözenekte katı içi iletim baskındır ve gözenek içindeki konvektif katkı daha sınırlıdır.

Eğim açısı ve yerel sıcaklık

\(\beta=14,43\%\) sabitken 45°'den 60°'ye çıkış gözenek bölgesinde sıvının CL'ye ulaşma mesafesini kısaltarak yerel soğutmayı iyileştirmiştir. Ancak 60°'den 75°'ye geçişte ana akışla duvar arasındaki daha keskin açı güçlü resirkülasyon oluşturmuş ve gözenek giriş kenarındaki ısı transferini zayıflatmıştır.

90° dikey modelde bu sorun en belirgin hale gelmiş ve pore-edge çevresinde lokal yüksek sıcaklıklar ortaya çıkmıştır. Dolayısıyla \(\theta\) açısından termal performans monoton bir “ne kadar yüksek o kadar iyi” davranışı göstermemektedir.

Örtüşme oranı ve yerel sıcaklık

\(\theta=30°\) sabitken \(\beta=14,43\%\) en yüksek yerel pore-edge ve pore-region sıcaklıklarından bazılarını oluşturmuştur. 39,10% ve 68,50% değerleri bağlantı alanını genişleterek direnci azaltmış ve soğutmayı güçlendirmiştir.

\(\beta=100\%\) olduğunda ise iki kanal tamamen birleşmiş ve aradaki dar “necking” geometrisi kaybolmuştur. Bu durum yanal akış bozulmasını azaltarak bazı yerel bölgelerde 39,10% ve 68,50% kadar iyi soğutma sağlayamamıştır.

Isı akısı performansı

Burada:

\[ \phi= \frac{q_{max}-q_{ave}}{q_{ave}} \tag{16} \]

olduğundan daha düşük \(\phi\), daha homojen ısı akısı dağılımını temsil eder.

Yüksek ısı akılı alan yüzdesi:

\[ \psi= \frac{S-S_{q,ave}}{S}\times100\% \tag{17} \]

ile tanımlanmıştır.

\(\theta=30°\rightarrow75°\) değişiminde \(\phi\) 6,46'dan 4,76'ya düşmüş ve kaynak yaklaşık %26 homojenlik artışı bildirmiştir. \(\beta=14,43\%\rightarrow100\%\) değişiminde \(\phi\) 6,46'dan 4,60'a inerken \(\psi\) %36,72'den %47,41'e yükselmiştir.

Daha İyi Soğutma Mekanik Dayanımı Nasıl Etkiliyor?

Eğik kanal geometrisi mekanik açıdan iki zıt etki üretmektedir. Geometrik süreksizlik ve karmaşık yük yolu pore-edge çevresinde lokal gerilme konsantrasyonunu artırabilir. Buna karşılık daha güçlü konvektif soğutma sıcaklık farkını ve termal genleşmeyi azaltır. Sonuçta bazı çift eğik yapılarda tepe gerilme yüksek olsa bile hacimsel/ortalama mekanik yük dikey referanstan daha düşük olabilir.

\(\beta\) 14,43%'ten 100%'e arttıkça bağlantı alanının genişlemesi soğutmayı güçlendirmiş ve ortalama eşdeğer gerilme genel olarak düşmüştür. \(\theta=30°,\beta=100\%\) durumunda iki gözenek tamamen örtüşerek eliptik açıklığa dönüşmüş; geometrik mutation azalmış ve hem gerilme konsantrasyonu hem ortalama eşdeğer gerilme dikey dairesel gözenekten düşük bulunmuştur.

Bütün çift eğik modellerin maksimum deplasmanı karşılık gelen dikey yapılardan düşüktür. Normalize sonuçlar yaklaşık 0,97'den 0,87'ye kadar uzanan değerler göstermektedir. Kaynak bunu daha düşük termal genleşme, daha kararlı CL–PTL temas basıncı ve uzun dönem yorulma açısından olumlu bir işaret olarak yorumlamaktadır. Bununla birlikte uzun dönem yorulma ömrü bu çalışmada gerçek çevrimli deneyle ölçülmemiştir.

Çalışmanın desteklediği ve desteklemediği sonuçlar

Bu nedenle çalışmanın en güçlü sonucu “çift eğik delik kesinlikle en iyi PTL'dir” değil, PTL mikrogeometrisinin akış, kabarcık, ısı ve mekanik alanları aynı anda değiştirdiğinin ve tasarımın bu alanlar birlikte düşünülerek yapılması gerektiğinin sayısal ve kısmen deneysel olarak gösterilmesidir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Özgün çalışma: Thermal-hydraulic-mechanical coupling analysis of porous transport layer with symmetrical double-inclined pores: balancing transport, heat transfer and mechanical properties

Yazarlar: Zongqi Liu; Ximing Wang; Jingjie Ren; Siqi Yang; Weicheng Sun; Yubin Mu; Guiqiang Deng; Mingshu Bi.

Sorumlu yazar: Jingjie Ren.

Yüklenen kaynak durumu: Hakem değerlendirmesinden geçmemiş SSRN preprint.

SSRN kimlik notu: Yüklenen PDF alt bilgisinde abstract=6899787 görünürken SSRN'nin güncel başlık kaydı 6899786 göstermektedir. Bu farklılık kaynak kayıtları arasında tutarsızlık olarak korunmuştur.

Güncel dergi kaydı: International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 271, Part 2, Article 129420, 15 December 2026.

Dergi DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2026.129420.

Ana yöntem: COMSOL Multiphysics 6.3 ile eşleşik non-isothermal flow, katı-akışkan konjuge ısı transferi, Joule ısınması, termal genleşme ve mekanik gerilme analizi.

Deneysel doğrulama: PEM su elektrolizöründe basınç düşümü testi ve yüksek hızlı kabarcık görüntüleme. Mekanik sonuçlar doğrudan deneysel deformasyon ölçümüyle doğrulanmamıştır.

Ana malzemeler: Sayısal modelde katı 316L paslanmaz çelik, akışkan su.

Çalışma koşulu: 353,15 K model giriş/referans sıcaklığı, 358,15 K dış ortam; 2 A cm⁻² Joule ısısı eşdeğeri; 0,3 m s⁻¹ su giriş hızı.

Finansman: Science and Technology Projects of Liaoning, Grant 2023JH2/101700281.

Veri erişilebilirliği: Kaynak, verilerin talep halinde sağlanacağını belirtmektedir.

Çıkar çatışması/patent: Jingjie Ren, Zongqi Liu, Weicheng Sun ve Mingshu Bi simetrik çift eğik PTL gözenek yapısıyla ilişkili patent başvuruları bildirmiştir. Çin patent başvurusu CN121407115A, Dalian University of Technology tarafından yapılmıştır.

Temel doğrulama sınırı: Akış basınç düşümü doğrudan deneyle doğrulanmıştır. Termal alan literatürdeki beklenen eğilimlerle kıyaslanmıştır. Mekanik alan ise doğrudan deney yerine analitik gerilme konsantrasyonu eğilimleriyle sınanmıştır.

Fiziksel model sınırı: Ana COMSOL modeli inkompresibl laminer su akışı ve eşleşik ısı/mekanik çözümüdür. Kabarcık davranışı ayrı yüksek hızlı deney ve basitleştirilmiş kuvvet modeliyle ele alınmıştır; çalışma tam, zamana bağlı gaz-sıvı ara yüz çözümüne dayalı kapsamlı iki-faz CFD modeli sunmamaktadır.

Üretim sınırı: Çalışma yapının poröz taşıma elektrotlarında uygulanma potansiyelini göstermektedir; uzun dönem stack testi, seri üretim toleransları, maliyet, korozyon ve gerçek işletme ömrü kapsamlı biçimde doğrulanmış değildir.

Görsel yeniden çizim notu: Verianla için en güçlü özgün kompozisyon; solda dikey gözenekte vorteks + kabarcık tutulması + sıcak nokta, ortada simetrik çift eğik V-kanalında yönlendirilmiş su/kabarcık akışı, sağda düşük sıcaklık ve azaltılmış deformasyon; alt şeritte \(\theta\), \(\beta\), %52→%77 kabarcık tahliyesi ve %26 ısı-akısı homojenliği iyileşmesi olacaktır.