Numerical Analysis of a Cylindrical PEM Fuel Cell with Serpentine Channel Structure

Abstract

In this study, a cylindrical fuel cell with the serpentine channel is numerically investigated. For this purpose, a fuel cell geometry with cylindrical geometry and 1S serpentine gas flow channel structure is created. To better investigate the effect of the gas flow channel on the performance, the distance between serpentine channel turns are changed as 2, 4, 6 and 8 mm and 4 different model geometries are created. For Model 3 among these model geometries, the anode and cathode inlet flow rates are changed and 3 different operating states are considered. For all model geometries and all operating states, the cell voltage is changed in the 0.45V-0.90V range and numerical analysis are repeated for 10 different cell voltages. Accordingly, 60 different simulations are completed. It is found that the current density value increased with the decreased cell voltage. It is determined that the pressure difference and current density decreased with increased serpentine channel turning distances. It is found that for high cell voltages, the power density value is relatively unchanged for the increased distances between serpentine channel turns and this value increased for low cell voltages. As the gas inlet flow rate of the anode and cathode channels increased, it is found that the current density and the pressure difference increased. However, for cell voltages above 0.7V, it is determined that the power density value is relatively unchanged with increased anode and cathode gas inlet flaws and increased with has inlet flow rate for values below this cell voltage.

Keywords

• Cylindrical fuel cell
• PEM
• 1S serpentine channel
• Channel design

SERPANTİN KANAL YAPISINA SAHİP SİLİNDİRİK BİR PEM YAKIT PİLİNİN SAYISAL OLARAK İNCELENMESİ

Abstract

Bu çalışmada, serpantin kanala sahip tek hücreli silindirik bir yakıt pili sayısal olarak incelenmiştir. Bu amaçla bir kanallı serpantin (1S) gaz akış kanal yapısına sahip silindirik yakıt pili geometrisi oluşturulmuştur. Gaz akış kanalının performansa olan etkisinin daha iyi incelenebilmesi için serpantin kanalların dönüşleri arasındaki mesafe 2, 4, 6 ve 8 mm olacak şekilde değiştirilerek 4 farklı model geometrisi oluşturulmuştur. Bu model geometrilerinden model 3 için, anot ve katot giriş debileri değiştirilerek 3 farklı çalışma durumu ele alınmıştır. Tüm model geometrileri ve tüm çalışma durumları için, hücre voltajı 0.45V ile 0.90V aralığında değiştirilerek 10 farklı hücre voltajında sayısal analizler tekrarlanmıştır. Bu kapsamda 60 farklı simülasyon tamamlanmıştır. Yapılan analizlerin sonucunda, hücre voltajının azalması ile akım yoğunluğunun arttığı gözlemlenmiştir. Serpantin kanalın dönüşleri arasındaki mesafenin artmasıyla akım yoğunluğunun ve basınç düşüşünün azaldığı tespit edilmiştir. Yüksek hücre voltajlarında serpantin kanalın dönüşleri arasındaki mesafenin artmasıyla güç yoğunluğunun fazla değişmediği, düşük hücre voltajlarında ise azaldığı belirlenmiştir. Anot ve katot kanallarına giren gaz debilerinin artışı ile akım yoğunluğunun ve basınç düşüşünün arttığı gözlemlenmiştir. Ancak 0.7V’dan yüksek hücre voltajlarında, anot ve katot giriş debilerinin artmasıyla güç yoğunluğunun fazla değişmediği, 0.7V’dan düşük voltajlarda ise gaz giriş debisinin artışı ile arttığı belirlenmiştir.

Keywords

• Silindirik yakıt pili
• PEM
• 1S serpantin kanal
• Kanal tasarımı

References

1. Abdel–Rehim, A.A., 2019, “The Influence of Electromagnetic Field on the Performance and Operation of a PEM Fuel Cell Stack Subjected to a Relatively Low Electromagnetic Field Intensity“, Energy Conversion and Management, Cilt 198, 111906.
2. Arıç, T., Bilgili, M., Özsunar, A.K., 2019, “İki Hücreli PEM Yakıt Pili Yığının Sayısal Analizi“, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, Cilt 7, Sayı 4, ss. 999-1011.
3. Bilgili, M., 2011, Akış Kanalları İçerisindeki Yarı Silindirik Blokların Pem Yakıt Pili Performansına Etkisinin Üç Boyutlu Analizi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara.
4. Bilgili, M., Sivrioğlu, M., 2016, “3D Numerıcal Analysis of PEM Fuel Cell at Different MEA Thicknesses and Operating Pressure Conditions“, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, Cilt 31, Sayı 1, ss. 51-63.
5. Carcadea, E., Ismail, M.S., Ingham, D.B., Patularu, L., Schitea, D., Marinoiu, A., Lon-Ebrasu, D., Mocanu, D., Varlam, M., 2021, “Effects of Geometrical Dimensions of Flow Channels of a Large-Active-Area PEM Fuel Cell: A CFD Study”, International Journal of Hydrogen Energy, Cilt 46, Sayı 25, ss. 13572-13582.
6. Cellek, M.S., Bilgili, M., 2021, “Stokiyometri Oranının İki Hücreli Pem Yakıt Hücresi Yığını Performansına Etkisinin İncelenmesi”, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, Cilt 9, Sayı 1, ss. 134-147.
7. Dalğıç, B.F., 2019, Pem Yakıt Hücresinde Hidrojen Gazındaki Nem Oranına Bağlı Olarak Elektrik Üretimindeki Değişimin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Batman Üni., Batman.
8. Daşdemirli, Y., 2019, Pem Yakıt Pillerinde Çalışma Parametrelerinin Performansa Etkisinin Sayısal Olarak İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Karabük Üniversitesi, Karabük.

9. Emiroğlu, Ü., 2019, Hava Soğutmalı PEM Yakıt Pilinin Plaka Geometrisinin Soğutma Performansına Etkisinin Deneysel ve Sayısal Araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara.
10. Ersan, K., Ar, İ., Tukek S., 2010, ”Effect of Humidification of Gases on First Home Constructed PEM Fuel Cell Stack Potential”, G.U. Journal of Science, Cilt 23, Sayı 1, ss. 61-69.
11. Karacan, K., 2019, Pem Yakıt Pilleri İçin Düşük Ağırlıklı Akış Plakası Geliştirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi, Niğde.
12. Karvelas, E.G., Koubogiannis, D.G., Hatziapostolou, A., Sarris, I.E., 2016, “The Effect of Anode Bed Geometry on the Hydraulic Behaviour of PEM Fuel Cells”, Renewable Energy, Cilt 93, ss. 269-279.
13. Kumar, R. R., Suresh, S., Suthakar, T., Singh, V. K., 2020, “Experimental Investigation on PEM Fuel Cell using Serpentine with Tapered Flow Channels”, International Journal of Hydrogen Energy, Cilt 45, Sayı 31, ss. 15642-15649.
14. Nguyen, P. T., Berning, T., Djilali, N., 2004, “Computational Model of a PEM Fuel Cell with Serpentine Gas Flow Channels”, Journal of Power Sources, Cilt 130, ss. 149–157.
15. Özdemir, B., 2012, Serpantin Kanallı Pem Yakıt Hücresinin Sayısal Analizi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara.
16. Özdoğan, M., 2018, Polimer Elektrolit Membran (Pem) Yakıt Pillerinin Performans Karakteristiklerinin Sayısal İncelenmesi, Doktora Tezi, Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Samsun.
17. Park, J., ve Li, X., 2007, “An Experimental and Numerical Investigation on the Cross Flow through Gas Diffusion Layer in a PEM Fuel Cell with a Serpentine Flow Channel”, Journal of Power Sources, Cilt 163, Sayı 2, ss. 853-863.
18. Perng, S., Wu, H., Jue, T., Cheng, K., 2009, “Numerical Predictions of a PEM Fuel Cell Performance Enhancement by a Rectangular Cylinder Installed Transversely in the Flow Channel”, Applied Energy, Cilt 86, ss. 1541–1554.
19. Suseendiran, S.R., Pearn-Rowe, S., Rengaswamy, R., 2020, “Development of Cylindrical Pem Fuel Cells With Semi-Cylindrical Cathode Current Collectors”, International Journal of Hydrogen Energy, Cilt 45, Sayı 17, ss. 10549-10558.
20. Wang, L., Husar, A., Zhou, T., Liu, H., 2003, “A Parametric Study of PEM Fuel Cell Performances”, International Journal of Hydrogen Energy, Cilt 28, ss. 1263-1272.
21. Yılmaz, C., 2018, Bipolar Plaka Gaz Akış Kanalı Desen Tasarımının PEM Yakıt Pili Performansına Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara.