Proton değişim membranlı yakıt pilleri (PEMYP) altı esas bileşenden
oluşmaktadır: akım toplayıcılar (AT), uç plakalar (UP), bipolar plakalar
(BP), gaz difüzyon tabakaları (GDT), contalar ve membran elektrot
ünitesi (MEÜ)’dir. Maksimum performans, yüksek dayanım ve
güvenilirlik için PEMYP montaj veya tasarım parametreleri kritik bir
öneme sahiptir. Optimum yakıt pil montaj ve tasarımı için hücrenin
mekanik davranışlarının bilinmesi gerekmektedir. Yakıt pilinin
mekanik montaj sürecinin deneysel tekniklerle gerçek zamanlı olarak
yapılması oldukça maliyetli ve zaman alıcıdır. Bu nedenle, 100 cm² aktif
alana sahip PEMYP’nin üç boyutlu sonlu eleman modeli geliştirilmiş,
hücre bileşenlerindeki gerilme ve deformasyon değerleri Ansys
Mechanical yazılımı ile hesaplanmıştır. Optimum seviyeleri elde etmek
ve tasarım parametrelerinin etkisini analiz etmek için cevap yüzeyi
yöntemi (CYY) uygulanmıştır. İstatistiksel analiz için cıvata sayısı,
cıvata delik çapı ve sıkıştırma torkları üç farklı bağımsız tasarım
değişkeni olarak tanımlanmış, bunların yanıt parametreleri olarak
belirlenen gerilme ve deformasyon üzerindeki bireysel-birleşik etkileri
analiz edilmiştir. Bu nedenle çalışılan cıvata sayısı, cıvata delik çapı ve
sıkıştırma torku aralıkları sırasıyla 12-20, 4-6 mm ve 9-15 Nm’dir.
Cıvata deliği çapının 6 mm'den 4 mm'ye düşürülmesi sonucunda,
toplam deformasyon yaklaşık olarak %60.4 oranında artmıştır. Artan
cıvata sayısıyla birlikte daha homojen gerilme dağılımları sağlanmış ve
uç plakadaki maksimum gerilme yaklaşık olarak %83.3 oranında
artmıştır. Sıkıştırma torkundaki yükselme ise membran üzerinde
yaklaşık olarak 21 MPa'lık bir basınç artışına neden olmuştur.
Çalışmanın sayısal ve istatistiksel bulguları, PEMYP performansının,
dayanıklılığının ve güvenilirliğinin değerlendirilmesinde önemli bir
rehber olabilir.
3B PEMYP Sonlu elemanlar yöntemi Cevap yüzeyi yöntemi Optimizasyon Mekanik analiz
Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) consist of six main
components: current collectors (CC), end plates (EP), bipolar plates
(BPP), gas diffusion layers (GDL), gaskets, and membrane electrode
assembly (MEA). PEMFC assembly or design parameters are critical for
maximum performance, strength, and reliability. The cell's mechanical
behavior should be known for optimum fuel cell assembly and design.
Therefore, a three-dimensional finite element model of PEMFC with an
active area of 100 cm² was developed, and the stress and deformation
values in the cell components were calculated with Ansys Mechanical
software. The response surface method (RSM) was applied to obtain
optimum levels and analyze the effect of design parameters. For
statistical analysis, bolt number, bolt hole diameter, and clamping
torque were defined as three different independent design variables,
and their individual-combined effects on stress and deformation, which
were determined as response parameters, were analyzed. Therefore, the
number of bolts, bolt hole diameter, and clamping torque ranges are 12-
20, 4-6 mm, and 9-15 Nm, respectively. When the number of bolts is 12,
the bolt hole diameter is 6 mm, the clamping torque is 9 Nm, the total
minimum deformation is 0.063 mm, and the minimum stress on the
membrane is 12.846 MPa. As a result of reducing the bolt hole diameter
from 6 mm to 4 mm, the total deformation has increased by
approximately 60.4%. With the increasing number of bolts, more
homogeneous stress distributions were achieved, and the end plate's
maximum stress increased by about 83.3%. The increase in clamping
torque has caused a pressure increase of roughly 21 MPa on the
membrane. The numerical and statistical findings of the study can be an
important guide in evaluating the performance, durability and
reliability of the PEMFC.
3D PEMFC Finite element method Response surface method Optimization Mechanical analysis
Birincil Dil | Türkçe |
---|---|
Konular | Makine Mühendisliği (Diğer) |
Bölüm | Makale |
Yazarlar | |
Yayımlanma Tarihi | 29 Kasım 2024 |
Yayımlandığı Sayı | Yıl 2024 Cilt: 30 Sayı: 6 |