Akış kanalları içerisindeki yarı silindirik blokların PEM yakıt pili performansına etkisinin üç boyutlu analizi
3-Dimensional analysis of the effect of semi cylindirical blocks in flow channels on PEM fuel cell performance
Yazar: MUHİTTİN BİLGİLİ
Danışman: PROF. DR. MECİT SİVRİOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Sayısal analiz = Numerical analysis ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Bu tezde, anot ve katot gaz akış kanallarına farklı boyutlarda yarı silindirik engeller yerleştirilerek, tek bir hücreden oluşan proton aktaran membran yakıt pilinin (PEMFC) ANSYS-FLUENT PEMFC modülü kullanılarak analizi yapılmıştır. Analiz sonuçları literatürdeki benzer çalışmalarla karşılaştırılmış ve uyum içinde olduğu görülmüştür.PEMFC iki taraftan oluşmaktadır, bir tarafı anot diğer tarafı katottur. Anot ve katot ise; akım toplama plakası, gaz kanalı, gaz difüzyon tabakası ve katalizör tabakasının bulunduğu dört kısımdan oluşmaktadır. Anot ve katotun arasında membran bulunmaktadır. Anot ve katot gaz difüzyon tabakaları, iki katalizör tabakası ve membran, Membran Elektrot Çiftini (MEÇ) oluşturmaktadır.Fiziksel model anot ve katot gaz kanalları içerisine yerleştirilen farklı yarıçap (r=0,40 ? 0,49 mm) ve sayıdaki yarı silindirik bloklardan oluşmaktadır. Yarıçap ve blokların sayısı, blokların toplam kesit alanı sabit kalacak şekilde seçilmiştir. 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. İki farklı kalınlık değerinde belirlenen MEÇ için PEMFC modelleri incelenmiştir. Düz gaz akış kanallı PEMFC modeli geometrisi için çalışma basıncının akım yoğunluğuna etkileri bu iki MEÇ (MEÇ-1 ve MEÇ-2) kullanılarak analiz edilmiştir. Bütün incelenen durumlar için sıcaklık şartları, anot ve katot gaz kanalı giriş çıkışlarıyla birlikte yakıt pilinin alt ve üst dış yüzeylerinde sabit olarak alınmıştır.Hız, sıcaklık, 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. Analizi yapılan her bir durum için kutuplaşma eğrileri oluşturulmuş ve gaz akış kanallarına konulan engellerin kutuplaşma eğrileri üzerine olan etkileri incelenmiştir.Bu çalışmada ele alınan engelli kanal geometrisi sonuçlarına göre, blokların toplam kesit alanı sabit kalacak şekilde engel sayısı arttırıldığında maksimum akım yoğunluğu değerlerinde %14,5'e varan iyileştirmeler elde edilebilmektedir.Anahtar Kelimeler : PEM yakıt pili, PEMFC, engelleyici blok, polarizasyon eğrileri, sayısal analiz.

Abstract:
This thesis covers the analysis of a single-cell proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) with different sized semi-cylindrical blocks in both anode and cathode gas flow channels by using ANSYS FLUENT PEMFC module. The results of the analysis are compared and a good agreement has been obtained with similar studies in the literature.PEMFC is made up of two sides, one anode and one cathode, each of which include four layers. Each side consists of a current collector, gas channel, gas diffusion layer and catalyst layer. There exists a membrane between the anode and cathode sides. These anode and cathode gas diffusion layers, the two catalyst layers, and the membrane compose the Membrane Electrode Assembly (MEA).Physical model consists of semi-cylindrical blocks with different radii (r=0,40 - 0,49 mm) and in various numbers that are located inside the anode and cathode gas channels. The radius and the number of blocks are selected such that the total cross sectional area of blocks is constant. For this purpose, basic principles such as conservation of mass, momentum, energy, species, and phase potential are considered. In ANSYS FLUENT PEMFC module, electrochemical equations depending on hydrogen oxidation and oxygen reduction rates are solved. MEAs are implemented in the PEMFC models and analyzed for two different thickness values. The PEMFC model is examined for the geometry of straight gas flow channel and the effects of operating pressure on current density are investigated for these two MEAs (MEA-1 and MEA-2). For all analyzed cases, the temperature condition is assumed to be constant at the anode and cathode gas channel inlet-outlet, as well as the upper and lower external surfaces of the fuel cell.The result of velocity, temperature, hydrogen and oxygen mass fraction distributions are presented along the gas flow main direction. Furthermore, hydrogen mass fraction distributions are analyzed at the cross sections (inlet, mid-way, outlet) perpendicular to the main flow direction. Polarization curves are obtained for each case and the effects of blocks on the variation of these curves are examined.According to the results of blocked channel geometries, improvements can be achieved in the values of maximum current density up to 14,5% when the number of blocks is increased for the same total cross sectional area of blocks.Key Words : PEM fuel cell, PEMFC, baffle block, polarization curves, numerical analysis.