PEM tipi yakıt hücresi reaktant akış kanallarının üç boyutlu modellenmesi
Three dimensional modeling of PEM type fuel cell reaktant flow channels
Yazar: İSMAİL ÖZGÜN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN KAHRAMAN
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Polimer elektrolit membran (PEM) yakıt hücreleri, yüksek enerji verimlilikleri ve daha az çevre kirliliği oluşturması gibi avantajları sebebiyle ilgi görmeye başlamıştır. PEM yakıt hücrelerinde bipolar plakalar üzerinde yer alan gaz akış kanalları, reaktant gaz dağılımını ve elektrokimyasal reaksiyonlar sonucunda oluşan suyu hücreden atılmasını sağlamaktadır. Akış kanal tasarımı yakıt hücresi performansı açısından önemli bir yere sahiptir ve bu konuda literatürde birçok çalışma yer almaktadır. Bu çalışmada reaktant gaz dağılımının daha homojen olduğu ve su tahliye kabiliyetinin daha iyi olduğu bir akış kanal tasarımı geliştirilmeye çalışılmıştır. Bu konuda doğadan esinlenerek bir yaprak tasarım ve murray kanununa göre oluşturulan yaprak tasarım modelleri literatürde sıkça karşılaşmakta olduğumuz serpantin tasarım modeli ile karşılaştırılmıştır. Yapılan çalışma Ansys FLUENT programı kullanılarak Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Çalışmada 4 cm2 aktif alana sahip olan yakıt hücresi modelleri için farklı hücre voltajlarında (0,45V, 0,55V, 0,65V, 0,75V, 0,85V) analizler gerçekleştirilerek sonuçlar incelenmiştir. Hücre içerisindeki basınç, hız, sıcaklık, akım yoğunluğu, reaktant gaz dağılımları, reaksiyon sonucu oluşan suyun membran ve katot kanallarındaki dağılımları incelenmiştir. Oluşturulan bu üç tasarımın düşük akım yoğunluklarında yaklaşık olarak aynı performanslara sahip oldukları görülmüştür. Murray kanununa göre oluşturulan yaprak tasarımın 0,8 mA/cm2 gibi yüksek  akım yoğunluklarında daha iyi performans gösterdiği görülmüştür. Buradan murray kanununa göre oluşturulan bu yaprak tasarımın su tahliye kabiliyetinin daha iyi olduğu sonucuna varılmıştır. Aynı zamanda akış kanal uzunluğunun büyük olmasının hücre performansını kötü yönde etkilediği görülmüştür. Bu çalışmada akış kanal optimizasyonunun PEM yakıt hücrelerinin yüksek akım yoğunluğu değerlerinde su yönetiminin iyileştirilerek konsantrasyon kayıplarının azaltılmasıyla performanslarının artacağını göstermiştir.

Abstract:
Polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells have begun to attract attention due to their advantages, such as high energy efficiency and less environmental pollution. Gas flow channels located on bipolar plates in PEM fuel cells allow the distribution of reactant gas and the removal of water formed as a result of electrochemical reactions from the cell. Flow channel design has an important place in terms of fuel cell performance, and many studies on this topic are included in the literature. In this study, an attempt was made to develop a flow channel design in which the reactant gas distribution is more homogeneous and the water discharge capability is better. In this regard, a leaf design inspired by nature and leaf design models created according to murray's law have been compared with the serpentine design model, which we often encounter in the literature. The study was carried out by Computational Fluid Dynamics (HAD) method using Ansys FLUENT program. In the study, the results were examined by analyzing different cell voltages (0.45V, 0.55V, 0.65V, 0.75V, 0.85V) for fuel cell models with an active area of 4 cm2. Pressure, velocity, temperature, current density, reactant gas distributions, the distribution of water formed as a result of the reaction in the membrane and cathode channels were studied. These three designs were found to have approximately the same performance at low current densities. The leaf design created by Murray's law was found to perform better at high current densities such as 0.8 mA/cm2. From here, it is concluded that this leaf design, created according to murray's law, has a better ability to drain water. At the same time, large flow channel length was found to have a bad effect on cell performance. In this study, flow channel optimization showed that PEM fuel cells would improve their performance by improving water management at high current density values and reducing concentration losses.