Bipolar plaka gaz akış kanalı desen tasarımının PEM yakıt pili performansına etkisi
Effect of bipolar plate gas flow channel pattern design on the performance of proton exchange membrane fuel cell
Yazar: CELAL YILMAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUHİTTİN BİLGİLİ ; DOÇ. DR. YILSER DEVRİM
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, proton değişim membran (PEM) yakıt pili bileşenlerinden biri olan bipolar plakalarının gaz akış kanal deseninin yakıt pili performansına olan etkisi araştırılmıştır. Çalışmada, farklı gaz akış kanal desenleri kullanılmıştır. PEM yakıt pili performansına bipolar plaka gaz akış kanal deseninin etkisi üç boyutlu model kullanarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) ve deneysel veriler ile incelenmiştir. Bu amaçla, literatürde pek çok PEM yakıt pili araştırmacısının yaygın olarak incelediği akış kanalı desen tasarımlarından yararlanılarak toplamda beş farklı gaz akış kanal deseni, üç kanallı serpantin tip (3S), paralel tip (PT), paralel serpantin (PS), pin tipi (PN) ile alternatif bir gaz akışı kanal deseni olarak tasarlanan özel dalga tipi (DT) modeli oluşturulmuştur. Sayısal analizlerde ANSYS FLUENT programının PEM yakıt pili modülü kullanılmıştır. Simülasyonlarda reaktant gaz nem oranı, reaktant oranı, hücre sıcaklığı, reaktant basıncı, bipolar plaka kanal genişliği ve kanal yüksekliği parametreleri sabit tutularak farklı gaz akış kanal desen modellerinin analizleri gerçekleştirilmiştir. Sayısal analiz ile gaz akış kanalı desen modelleri için hız ve sıcaklık dağılımı, reaktant ve su derişim dağılımları ve polarizasyon eğrileri elde edilmiştir. Aynı zamanda gaz akış kanal deseni üzerindeki basınç düşmesi araştırılmıştır. Sayısal analiz çözümlerinin doğrulanması için tek hücreden oluşan PEM yakıt pilinin deneysel çalışmaları da yapılmıştır. Deneysel çalışmalarda elde edilen akım-voltaj verileri kullanılarak PS tip gaz akış kanal modelinin polarizasyon eğrisi elde edilmiştir. Deneysel çalışmalarda anot tarafında hidrojen, katot tarafında ise hava reaktant gazları kullanılmıştır. 5 cm2 aktif alana sahip PS tip gaz akış kanal deseni ile hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile hazırlanan yakıt pili modelinin fiziksel geçerliliği, deneysel sonuçlar ile karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Ek olarak, beş farklı gaz akış kanal deseninin polarizasyon eğrileri birbirleri ile karşılaştırılarak en iyi performansa sahip gaz akış deseni belirlenmiştir. Bu sonuçlara göre en iyi performansa sahip 3S gaz akış kanalı modeli ile en kötü sunucu veren PN tip gaz akış kanal deseni arasında 0,4 V hücre voltajında % 18,7 fark elde edilmiştir. Çalışmanın sonucunda, basınç düşüşü de dikkate alındığında özellikle büyük ölçekli uygulamalar için DT tipi gaz akış kanalı modelinin daha uygun olduğu değerlendirilmiştir.

Abstract:
In this study, the effect of the gas flow channel pattern of the bipolar plate, one of the fuel cell components of the proton exchange membrane (PEM), on performance of the PEM fuel cell was investigated. Different gas flow channel pattern geometries were used in the study. The effect of bipolar plate gas flow channel pattern on PEM fuel cell performance was investigated using three-dimensional model of computational fluid dynamics (CFD) and experimental data. For this purpose, five different gas flow channel patterns, three channel serpentine types (3S), parallel type (PT), parallel serpentine (PS), pin type (PN) and an alternative gas flow channel pattern geometry custom wave type (DT) model were designed. ANSYS FLUENT PEM fuel cell module was used in numerical analysis. In the simulations, humidification, reactant feed rate, temperature, reactant pressure, channel width and channel height parameters were kept constant for different gas flow channel patterns. In the numerical analysis, velocity distribution, temperature distribution, reactant and water concentration distributions and polarization curves were obtained for gas flow channel patterns. Also, the pressure drop in the gas flow channel patterns were investigated. For the verification of numerical analysis solutions, PEM fuel cell experimental study was conducted. According to current-voltage, the polarization curve of the PS type gas flow channel model was obtained. In this experiment, hydrogen in anode and air in cathode sides were utilized as reactant gases. The physical validity of the computational fluid dynamics model was compared with experimental results of PS gas flow channel pattern on 5 cm2 active area. In addition, five different gas flow channel patterns have been compared by using polarization curves to determine best performance. According to these results, 3S gas flow channel pattern showed the best performance and the PN type gas flow channel pattern showed the worst performance so between 3S and PN type 18,7% performance difference was obtained at 0,4V cell voltage. As a result of the study, it is considered that DT type gas flow channel model is more suitable especially for large scale applications by taking into account the pressure drop.