Proton değiştirici membran yakıt hücrelerinin katot tarafındaki akış ve hücre performansının sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of fluid flow and cell performance at cathode of proton exchange membrane fuel cells
Yazar: UTKU GÜLAN
Danışman: PROF. DR. HAŞMET TÜRKOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Bölümü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada bir PEM yakıt hücresinin katot tarafındaki akışkan akışı ve konsantrasyon dağılımı sayısal olarak incelenmiştir. İnceleme alanı, katot gaz akış kanalı, katot gaz difüzyon tabakası ve katot katalizör tabakasını içermektedir. Problemin temel denklemleri olan süreklilik, momentum ve konsantrasyon denklemleri kontrol hacim metoduyla ayrıklaştırılarak ve SIMPLE algoritması kullanılarak geliştirilen bir bilgisayar programı ile çözülmüştür. Geliştirilen programın doğruluğunu denemek için, düz kanal, tabanı gözenekli kanal ve PEM yakıt hücresinin katot tarafındaki akışlar simüle edilerek sonuçları, literatür sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Gaz difüzyon tabakası gözeneklilik değeri, Reynolds sayısı, işletme sıcaklığının ve hücre geriliminin farklı değerleri için simülasyonlar yapılarak bu parametrelerin akışa, konsantrasyon ve akım yoğunluğu dağılımına etkileri incelenmiştir. Yapılan çalışma sonucunda, gaz difüzyon tabakasının gözeneklilik değerinin ve Reynolds sayısının artması ile akım yoğunluğunun, güç yoğunluğunun ve katalizör tabakasındaki oksijen konsantrasyonunun arttığı belirlenmiştir. Gerçekleştirilen simülasyonlarsonucu elde edilen verilere göre, hücre işletme sıcaklığının artması ile akım yoğunluğu ve güç yoğunluğunun arttığı ancak katalizör tabakasındaki oksijen konsantrasyonunun azaldığı belirlenmiştir.Anahtar Kelimeler : PEM yakıt hücresi, gözenekli ortam, konsantrasyondağılımı, sayısal akışkanlar dinamiği

Abstract:
In this study, fluid flow and concentration distribution in cathode section of a PEM Fuel Cell were numerically investigated. The problem domain consists of cathode gas channel, cathode gas diffusion layer and cathode catalyst layer. The governing equations, continuity, momentum and concentration equations were discritized by the control volume method and solved using a computer program developed using SIMPLE algorithm. Comparing the results of numerical simulations and the result of analytical solution and results from literature, the mathematical model and program developed were tested. Simulations were made for different values of GDL porosity, Reynolds number and operation temperature. Using the results of these simulations, the effects of these parameters on flow, concentration and current density distribution were analyzed. It is determined that increasing the porosity of the gas diffusion layer increases current density of the PEM fuel cell, power density of the PEM fuel cell and oxygen concentration in catalyst layer. According to the simulations, it is also determined that increasing Reynolds number increases current density of the PEM fuel cell, power density of the PEM fuel cell and oxygen concentration incatalyst layer. Analyzing the data obtained from simulations shows that increasing operation temperature of PEM fuel cell increases current density of the PEM fuel cell and power density of the PEM fuel cell but decreases oxygen concentration in catalyst layer.Key Words : PEM Fuel Cells, Porous Medium, ConcentrationDistribution, Computational Fluid Dynamics