Serpantin kanallı PEM yakıt hücresinin sayısal analizi
Numerical analysis of PEM fuel cell with a serpentine flow channel
Yazar: BURAK ÖZDEMİR
Danışman: PROF. DR. HAŞMET TÜRKOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Yakıt hücreleri = Fuel cells ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Günümüzde sağlık ve çevresel kaygıların yanı sıra enerji ihtiyacının artışı ve enerji kaynaklarının sınırlı olması, enerji üretimi için daha verimli, daha temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarıyla uyumlu yeni nesil enerji teknolojileri için araştırmalar başlatmıştır. Yakıt hücrelerinin yüksek verimlilik, yüksek akım yoğunluğu, düşük emisyon değerlerine sahip olmaları ve sessiz çalışmaları nedeniyle en umut verici enerji dönüştürme teknolojisi olduğu düşünülmektedir.Bu çalışmada serpantin kanallı PEM yakıt hücresi tek fazlı, izotermal olmayan, kararlı halde ve üç-boyutlu olarak analiz edilmiştir. PEM yakıt hücresi, anot ve katot tarafı için gaz kanalı, akım toplayıcı plaka, gaz difüzyon tabakası, katalizör tabakası ve membran tabakasını içeren dokuz tabakadan oluşmaktadır. Simülasyonlar için ANSYS FLUENT 12.1 paket programı kullanılmıştır. Simülasyonlar iki aşamada gerçekleştirilmiştir. Birinci aşamada farklı gaz kanalı genişlikleri ve membran kalınlıkları için simülasyonlar yapılmıştır. Uygun gaz kanalı genişliği ve membran kalınlığı belirlendikten sonra anot giriş nemliliği, reaktan gaz giriş sıcaklığı, çalışma basıncı ve gaz giriş yönü gibi işletme parametrelerinin yakıt hücresi performansı üzerine etkileri incelenmiştir. Bu parametrik çalışmalardan elde edilen sonuçlar polarizasyon eğrileri üzerinde gösterilmiş olup, analiz sonuçları sıcaklık, basınç, akım yoğunluğu, hız ve konsantrasyon dağılımları (H2, O2 ve H2O kütle kesirleri) grafikler ile sunulmuştur. Analiz sonuçları literatürdeki benzer çalışmalar ile karşılaştırılmıştır. Simülasyonlar gaz kanalı genişliği, anot giriş nemliliği, reaktan gaz giriş sıcaklığı ve çalışma basıncındaki bir artışın hücre performansını artırdığını göstermiştir. Aynı zamanda anot gazları ve katot gazları akışının zıt yönde olması hücre performansı üzerinde olumlu etkiye sahiptir. Buna karşın membran kalınlığının artışı hücre performansının azalmasına neden olmaktadır.Anahtar Kelimeler : PEM yakıt hücresi, sayısal akışkanlar dinamiği, serpantin kanal

Abstract:
Nowadays an increasing demand for energy and limited energy resources as well as health and environmental concerns have initiated studies for new generation of energy technologies which are more efficient, more clean and compatible with renewable energy sources. Because of fuel cells have high efficiency, high current density and low emissions besides quiet operation, they are thought to be the most promising energy conversion technologies.In this study, PEM fuel cell with serpantine channel was analyzed as a single-phase, non-isothermal, steady state and in three dimensions. PEM fuel cell is composed of nine layers including the gas channel, the current collector plate, the gas diffusion layer, the catalyst layer for the sides of anode and cathode and membrane layer. ANSYS FLUENT 12.1 package program was used for simulations. Simulations were carried out in two stages. First, simulations were made for different gas channel widths and thicknesses of the membrane. After determining the appropriate gas channel width and the thickness of the membrane, the effects of operating parameters such as anode inlet humidity, inlet temperature of reactant gas, operating pressure and the gas flow directions on the performance of fuel cell were investigated. The results obtained from this parametric studies are shown in terms of polarization curves and analysis results of the temperature, pressure, current density, velocity and concentration distributions (H2, O2, and H2O mass fractions) are presented in graphs. The results of analysis were compared to similar studies in the literature. Simulations shown that the increase in the gas channel width, anode inlet humidity, reactant gas inlet temperature and the operating pressure increases the cell performance. Flow of anode gases and cathode gases in opposite direction also has a positive impact on the cell performance. However, increasing membrane thickness causes a decrease in the cell performance.Key Words : PEM fuel cell, computational fluid dynamics, serpentine channel