Pem yakıt pi̇lleri̇nde geometri̇k ve çalışma parametreleri̇ni̇n performansına etki̇leri̇ ve yeni̇ bi̇r akış alanı tasarımı

Abstract

Bu çalışmada, yakıt hücresindeki kimyasal reaksiyonların yanı sıra ısı ve akışkan akışı için matematiksel bir model oluşturulmuş ve bu model doğrulama amacıyla bilinen bir serpantin tipi yakıt hücresine uygulanmıştır. Üç boyutlu, serpantin kanallı PEM yakıt hücresi, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi kullanılarak tek fazlı analiz edilmiştir. Çalışma geçici rejimde ve kararlı halde ayrı ayrı yapılmıştır. Membran, katalizör tabakaları, gaz difüzyon tabakaları, gaz akış kanalları, anot ve katot akım toplayıcı plakalar dahil olmak üzere tam bir PEMFC göz önüne alınmıştır. Geçici rejim çalışmasında yakıt hücresinin kütle akış oranlarındaki bir adım değişikliğine yanıtı aranmıştır. Giriş akış koşullarına kütle akış oranlarında %20’lik adım değişiklikleri uygulanmış ve yakıt hücresinin zamana bağlı güç ve akım yoğunluğu tepkileri çeşitli hücre voltajı değerleri için analiz edilmiştir. Yakıt hücresi performansının değerlendirilmesi için polarizasyon eğrileri oluşturulmuş ve zaman içindeki değişimleri sunulmuştur. Kararlı hal çalışmasında ise çalışma basıncı, dönüşüm katsayısı ve stokiyometrik akış oranının yakıt hücresi performansına etkileri incelenmiştir. Yakıt hücresindeki performansı etkileyen parametrelerin belirlenmesi ve yüksek performans için optimize edilmesi birincil öneme sahiptir. Elde edilen sonuçlar yakıt hücresi karakteristik eğrisi açısından sunulmuştur. Ayrıca yeni bir akış alanı tasarımı yapılmış, manifold ve ara rezervuarların bulunduğu üç boyutlu yeni nesil serpantin akış alanı oluşturulmuştur. Tasarımla ilgili çalışmalar TÜBİTAK projesi kapsamında sürdürülmektedir.

In this study, a mathematical model was created for chemical reactions in the fuel cell as well as heat and fluid flow and this model was applied to a known serpentine type fuel cell for verification purposes. Three-dimensional, serpentine channel PEM fuel cell was analyzed in single phase using the Computational Fluid Dynamics (CFD) method. The study was carried out separately in transient regime and steady state. The model PEMFC is considered including membrane, catalyst layers, gas diffusion layers, gas flow channels, anode and cathode current collector plates. In the transient regime study, the response of the fuel cell to a step change in mass flow rates was sought. Step changes of 20% in mass flow rates were applied to the inlet boundary conditions and time dependent power and current density responses of the fuel cell were analyzed for various operating voltage values. Polarization curves were generated for the evaluation of the fuel cell performance, and their variations in time were presented. In the steady state study, the effects operating pressure, exchange coefficient and stoichiometric flow ratio on the fuel cell performance were investigated. It is of primary importance to establish parameters that affect performance in the fuel cell and optimize them for high performance. The results obtained are presented in terms of fuel cell characteristic curve. In addition, a new flow area has been designed and a new three-dimensional serpentine flow area with manifold and intermediate reservoirs has been created. Design-related works are carried out within the scope of TUBITAK project.