PEM yakıt pillerinde çalışma parametrelerinin performansa etkisinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the effect of working parameters on performance in PEM fuel cells
Yazar: YAKUP DAŞDEMİRLİ
Danışman: DOÇ. DR. MUHAMMET KAYFECİ
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Akış analizi = Flow analysis ; Elektrik enerjisi = Electrical energy ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Yakıt hücresi elektrokimyasal bir enerji dönüştürücüsüdür. Çalışması anot ve katot üzerinde aynı anda gerçekleşen elektrokimyasal reaksiyonlara dayanır. Yakıt hücresi çeşitlerinden olan Proton Değişim Membranı Yakıt Hücreleri (PEMFC) saf hidrojen ve oksijen (veya hava) ile çalışan ve elektrik, su ve biraz ısı üreten cihazlardır. Bu özellikler PEMFC'yi temiz enerji üretimi için cazip bir seçenek haline getirir. PEMFC'ler düşük sıcaklıkta çalıştıkları için çalıştırılmaları kolay hale gelir. PEMFC'lerin ticari uygulanabilirliğe ulaşılmadan önce üstesinden gelinmesi gereken birkaç önemli sınırlamalar vardır. Ticari olarak uygulanabilir hale getirilmesine yönelik aktif araştırma alanları arasında; yakıt hücrelerinin maliyetini, büyüklüğünü ve ağırlığını azaltmak ayrıca dayanıklılıklarını ve performanslarını artırmak yer alır. Bu araştırmaların önemli ve artan bir kısmı yakıt hücrelerinin bilgisayar modellemesini içermektedir.
Bu çalışmada PEMFC anot ve katot gaz akış kanallarına yarıçapı artan boyutlarda yarı silindirik engeller konulup ANSYS-FLUENT programında bulunan PEMFC modülü kullanılarak farklı koşullarda ayrı ayrı incelenerek bir tek hücreden oluşan yakıt hücresi için analizler yapılmıştır. Günümüzde diğer ismi ile polimer elektrot membran yakıt hücreleri olan PEMFC'ler ile ilgili birçok çalışma vardır. PEMFC'de dışarıdan sağlanan hidrojen ve oksijen gazı arasında elektrokimyasal bir reaksiyon meydana gelir ve atık olarak su meydana çıkar. PEMFC anot, katot ve her ikisinin arasında bulunan membrandan oluşmaktadır. Anot ve katot kısımlarının herbiri; gaz kanalı, akım toplama plakası, katalizör tabakası ve gaz difüzyon tabakalarından oluşmaktadır.
Bu çalışmada tasarlanan model anot ve katot gaz kanalları içerisine konulan farklı yarıçapta (r = 0, 1 – 0, 5 mm arası yarıçapları 0,05 mm artan ve yarı silidirik engellerin merkezleri arasındaki mesafe 5 mm olan toplamda 9 engel) yarı silindirik engellerden oluşmaktadır. Modelin çözümünde 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. Düz gaz akış kanalına sahip olan PEMFC modeli geometrisi için farklı çalışma basınçları düşünülerek akım yoğunluğuna etkileri araştırılmıştır. Analizi yapılan 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, gaz akış yönünde iki boyutlu olarak çıkarılmıştır. Çalışılan her bir durum için kutuplaşma eğrileri oluşturulmuş ve gaz akış kanallarına konulan engellerin kutuplaşma eğrileri üzerine olan etkileri değerlendirilmiştir.
Tasarladığımız modelimizde gaz akış kanallarında engeller bulunan ve engel bulunmayan yakıt pillerinin akım değerleri kıyaslanmış ve sonuç olarak; gaz akış kanallarında engeller olan modelin engelsiz modele göre yaklaşık %7,2 oranında daha fazla verimli olduğu hesaplanmıştır.

Abstract:
The fuel cell is an electrochemical energy converter. Its operation is based on the simultaneous electrochemical reactions on the anode and cathode. Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs), which are one of the fuel cell types, are devices that work with pure hydrogen and oxygen (or air) and produce electricity, water and some heat. These features make PEMFC an attractive option for clean energy production. PEMFCs are easy to operate because they operate at low temperatures. There are several important limitations that must be overcome before commercial applicability of PEMFCs can be achieved. Active research areas for commercialization include; reducing the cost, size and weight of fuel cells, as well as increasing their durability and performance. An important and increasing part of these researches involves computer modeling of fuel cells.
In this study, semi-cylindrical barriers were used to increase the radius of the PEMFC to the anode and cathode gas flow channels, and the PEMFC module in the ANSYS-FLUENT program was analyzed separately and analyzed for a single cell fuel cell. Nowadays there are many studies on PEMFCs. In PEMFC, an electrochemical reaction takes place between the supplied hydrogen and oxygen gas, and water is generated as waste. PEMFC consists of anode, cathode and membrane between both. Each of the anode and cathode portions; gas duct, flow collection plate, catalyst layer and gas diffusion layers.
The model designed in this study consists of semi-cylindrical obstacles in the different radius placed within the anode and cathode gas channels (r = 0, 1- 0, 5 mm, a total of 9 obstacles with a distance of 5 mm). In the solution of the model, the conservation of mass, momentum, energy, species and phase potential was taken into consideration. In the ANSYS FLUENT PEMFC module, the electrochemical equations in the fuel cell are solved depending on the oxidation of hydrogen and the rate of reduction of oxygen. For the PEMFC model geometry, which has a flat gas flow channel, different working pressures and their effects on current density were investigated. The temperature conditions for the cases analyzed were taken as fixed on the upper and lower outer surfaces of the fuel cell together with the anode and cathode gas channel inlet and outlet.
The results related to the mass fraction distribution of velocity, temperature, hydrogen and oxygen were extracted in two dimensions in the direction of gas flow. For each case, polarization curves were formed, and the effects of obstacles placed on gas flow channels on polarization curves were evaluated.
In our designed model, current values of fuel cells with and without obstacles in gas flow channels were compared and as a result; It was calculated that the model with obstacles in gas flow channels is about 7.2% more efficient than the unimpeded model.