PEM tipi yakıt hücrelerinde gaz akış kanalı içerisindeki engelleyici blokların hücre performansına etkisinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the effects of obstacles with the gas flow channels in PEM fuel cells
Yazar: SAFİYE NUR ÖZDEMİR
Danışman: PROF. DR. İMDAT TAYMAZ
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Proton değişim membranlı (PEM) yakıt hücreleri optimum hücre performansı sağlandığında, umut vaat eden güç üretim kaynakları olarak kabul edilmektedir. Tasarım ve işletme parametreleri hücre performansını önemli ölçüde etkileyen anahtar faktörlerdir. Bu çalışmanın ilk aşamasında; üç boyutlu, tek fazlı, geleneksel gaz akış kanallı PEM yakıt hücresinin sayısal modeli literatürdeki tasarım parametrelerine göre geliştirilmiş, sınır koşulları ve elektrokimyasal parametreler tanımlanmış, ANSYS FLUENT HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) kodu kullanılarak çözülmüştür. Sayısal modelin simülasyon sonuçları deneysel verilerle karşılaştırılmış, iyi bir uyum göstermiştir. Sıcaklık, basınç, kütlesel debi hücre performansını etkileyen işletme parametreleri ve bir tasarım parametresi olan PEM yakıt hücresinin gaz difüzyon katmanlarının gözenekliliğinin etkisi düz gaz akış kanal geometrisi için incelenmiştir. Bir sonraki aşamada aynı sayısal modelin gaz akış kanallarına farklı geometrilerde engeller ekleyerek, sayısal çözümleme yapılmıştır. Bu çalışmanın amacı, PEM yakıt hücresinin gaz akış kanallarında bulunan dikdörtgensel ve yarı silindirik engellerin hücre performansı üzerindeki etkilerini araştırmaktır. Nümerik sonuçlar, belirli hücre potansiyellerinde proton değişim membranlı yakıt hücresindeki geleneksel gaz akış kanalına kıyasla yarı silindirik veya dikdörtgensel engelli gaz akış kanalları için daha yüksek akım yoğunluklarının elde edilebileceğini göstermektedir. Sayısal analizlere göre, gaz akış kanallarına belirli sayıda engelleyici blok eklemek kanal merkezinden yakıt hücresinin katalizör tabakasına olan kütle taşınımını iyileştirmektedir.

Abstract:
Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are considered as promising power generation sources if optimal cell performance is supplied. Design and operating parameters are key factors that significantly affect the cell performance. In the first stage of this study; the three dimensional, single phase, PEM fuel cell with conventional gas flow channel has been developed by using the design parameters in the literature, boundary conditions and electrochemical parameters have been defined and solved by using ANSYS FLUENT CFD (Computational Fluid Dynamics) code. The simulation results of numerical model are compared with experimental data showing a good agreement. The effects of operating parameters such as temperature, pressure, mass flow rate and gas diffusion layer's porosity that is a design parameter are investigated on the cell performance for the straight geometry. In the next stage, numerical analysis are performed by adding obstacles with different geometries to the gas flow channels of the same numerical model. The objective of this study is to investigate the effects of rectangular and wave-like form obstacles in the gas flow channels of PEM fuel cell on the cell performance. Numerical results show that higher current densities can be obtained in certain cell potentials for gas flow channels with the wave-like form or rectangular obstacles compared to the conventional gas flow channel in the proton exchange membrane fuel cell. According to numerical analysis, adding a certain number of obstacles to the gas flow channels improves the mass transport from the channel core to the catalyst layer of the PEM fuel cell.