PEM YAKIT PİLİNİN DEĞİŞİK MEMBRAN ELEKTROT ÇİFTİ KALINLIKLARINDA ve FARKLI ÇALIŞMA BASINCI KOŞULLARINDA ÜÇ BOYUTLU SAYISAL ANALİZİ

Yıl 2016, Cilt: 31 Sayı: 1, 0 - 0, 23.03.2016

Muhittin Bilgili , Mecit Sivrioğlu

https://doi.org/10.17341/gummfd.59943

Cited By: 1

Öz

İki farklı boyuttaki MEÇ’in (Membran Elektrot Çiftinin) kullanıldığı, tek bir hücreden oluşan proton aktaran membran yakıt pilinin (PEMFC) ANSYS-FLUENT yardımı ile üç boyutlu sayısal analizi yapılmıştır.

İki farklı kalınlıktaki MEÇ ile hazırlanan PEM yakıt pilinin sayısal analizi farklı çalışma koşullarında yapılmıştır. Birinci MEÇ’de difüzyon tabakası, katalizör tabakası ve membran kalınlıkları sırasıyla, 0,400 mm, 0,005 mm ve 0,035 mm olarak belirlenmiştir. İkinci MEÇ için bu kalınlıklar 0,300 mm, 0.050 mm. ve 0,125 mm olarak kabul edilip sayısal çözümler alınmıştır. Bu iki MEÇ kullanılarak polarizasyon eğrileri elde edilip karşılaştırılmıştır. İnce bir katalizör tabakası kalınlığına sahip MEÇ-1 için elde edilen çözümler neticesinde konsantrasyon kayıplarının olduğu kısım polarizasyon eğrisinde görülebilmektedir. MEÇ-1 ile hazırlanan yakıt pili modelinin çözümünden elde edilen akım yoğunluğu değerleri MEÇ-2 ile hazırlanan duruma göre daha iyi çıkmıştır.

PEM yakıt pili modeli için çalışma basıncının akım yoğunluğuna etkileri bu iki farklı kalınlıktaki MEÇ (MEÇ-1 ve MEÇ-2) kullanılarak analiz edilmiştir. Çalışma basıncı 150 kPa, 200 kPa, 300kPa ve 400 kPa olarak belirlenip her bir basınç değerindeki polarizasyon eğrileri her iki MEÇ içinde grafikler halinde sunulmuştur.

Bu problemin çözümü için, kütle, momentum, enerji, türler ve faz potansiyelinin korunumu dikkate alınmıştır. ANSYS FLUENT PEMFC modülünde yakıt pili içindeki elektrokimyasal eşitlikler, hidrojenin oksidasyonu ve oksijenin indirgenme hızına bağlı olarak çözülmüştür. Hidrojen ve oksijenin kütle kesri dağılımları ile ilgili sonuçlar, ana gaz akış yönünde iki boyutlu olarak sunulmuştur. Ayrıca hidrojenin kütle kesri değişimleri ana akışa dik kesitlerde (giriş, orta ve çıkış) alınan dağılımlarla iki boyutlu olarak incelenmiştir. 

Anahtar Kelimeler

PEM yakıt pili, Membran Elektrot Çifti (MEÇ); sayısal analiz.

Kaynakça

• M. Bilgili, “3-Dimensional Analysis of the Effect of Semi Cylindirical Blocks in Flow Channels on PEM Fuel Cell Performance,” Ph.D. Thesis, Gazi University, Institute of Science and Technology, 2011.
• C. Ö. Alpat, “Düz Kanallı Proton Aktaran Membran Yakıt Hücresinin Sayısal Çözümü,” Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2007.
• A. Biyikoğlu and C. Ö. Alpat, “Parametric Study of A Single Cell Proton Exchange Membrane Fuel Cell For A Bundle of Straight Gas Channels,” Gazi Univ. J. Sci., vol. 24, no. 4, pp. 883–899, 2011.
• J. J. Baschuk and X. Li, “A general formulation for a mathematical PEM fuel cell model,” J. Power Sources, vol. 142, no. 1–2, pp. 134–153, Mar. 2005.
• M. Aydin and A. Şişman, “2-D modelling of a PEM fuel cell,” in Proceedings International Hydogen Energy Congress and Exhibition IHEC 2007, 2007, pp. 1–12.
• J. J. Baschuk and X. Li, “Mathematical model of a PEM fuel cell incorporating CO poisoning and O2,” Int. J. Glob. Energy Issues,, vol. 20, no. 3, pp. 245–276, 2003.
• J. Park and X. Li, “Effect of flow and temperature distribution on the performance of a PEM fuel cell stack,” J. Power Sources, vol. 162, no. 1, pp. 444–459, Nov. 2006.
• X. Liu, W. Tao, Z. Li, and Y. He, “Three-dimensional transport model of PEM fuel cell with straight flow channels,” J. Power Sources, vol. 158, no. 1, pp. 25–35, Jul. 2006.
• S. Um, C.-Y. Wang, and K. S. Chen, “Computational Fluid Dynamics Modeling of Proton Exchange Membrane Fuel Cells,” J. Electrochem. Soc., vol. 147, no. 12, p. 4485, 2000.
• S. Dutta, S. Shimpalee, and J. W. Van Zee, “Three-dimensional numerical simulation of straight channel PEM fuel cells,” J. Appl. Electrochem., vol. 30, pp. 135–146, 2000.
• B. Sivertsen and N. Djilali, “CFD-based modelling of proton exchange membrane fuel cells,” J. Power Sources, vol. 141, no. 1, pp. 65–78, Feb. 2005.
• L. Wang, “A parametric study of PEM fuel cell performances,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 28, no. 11, pp. 1263–1272, Nov. 2003.
• H. Meng and C.-Y. Wang, “Electron Transport in PEFCs,” J. Electrochem. Soc., vol. 151, no. 3, p. A358, 2004.
• S. Li, J. Cao, W. Wangard, and U. Becker, “Modeling PEMFC with FLUENT: numerical performance and validations with experimental data,” in Proceedings of Fuel Cell 3rd International Conference on Fuel Cell Science, 2005, pp. 103–110.
• “Fluent 6.3, Fuel Cell Modules Manual, Fluent Inc.,” 2006.
• “ANSYS Fluent Help Documentation, ANSYS Inc.,” 2012.
• M. Mench, “Fuel Cell Engines,” M. M. Mench, Ed. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2008, pp. 121–190.
• J.-K. Kuo, T.-H. Yen, and C.-K. Chen, “Three-dimensional numerical analysis of PEM fuel cells with straight and wave-like gas flow fields channels,” J. Power Sources, vol. 177, no. 1, pp. 96–103, Feb. 2008.
• X.-D. Wang, Y.-Y. Duan, W.-M. Yan, and X.-F. Peng, “Local transport phenomena and cell performance of PEM fuel cells with various serpentine flow field designs,” J. Power Sources, vol. 175, no. 1, pp. 397–407, Jan. 2008.