Hava soğutmalı bir pem yakıt pilinin bir boyutlu ve üç boyutlu termal analizi
One dimensional and three dimensional thermal analysis of an air-cooled pem fuel cell
Yazar: MEHMET SÜHA İŞİ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN UTKU HELVACI
Doğuş Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Hidrojen temiz, yenilenebilir bir enerji kaynağıdır ve iklim değişikliği, küresel 
ısınma gibi çevre sorunlarının çözümünde geleneksel fosil yakıtların yerine 
kullanılabilir. Hidrojen tüketen yakıt pilleri, karbon emisyonu olmadan su açığa 
çıkararak elektrik ürettikleri için çevre dostu sistemler olarak bilinir. Proton Değişim 
Membranlı (PEM) yakıt pilleri, düşük çalışma sıcaklıkları, yüksek güç yoğunlukları 
ve kompakt olmaları sayesinde önemli bir potansiyele sahiptir. PEM yakıt hücresi 
sisteminin verimliliği türüne ve çalışma sıcaklığına bağlı olmakla birlikte genel olarak 
diğer hidrokarbon yakıt bazlı sistemlere göre daha yüksektir. Bir PEM yakıt hücresinin 
verimliliği hücre sıcaklığıyla ilişkilidir ve bu nedenle yüksek sistem verimliliğini 
sürdürmek için termal yönetim çok kritiktir. PEM yakıt hücrelerinin termal 
davranışının matematiksel modellenmesi, sistem verimliliğinin yönetimi için 
önemlidir. Bu çalışmada, bir güç ölçere bağlı olan ve değişken akım taleplerinde 
çalıştırılan yakıt pili yığınının toplam ısı üretimi hesaplanarak tek bir hücrenin 
davranışı bir boyutlu ve üç boyutlu olarak modellenmiştir. Bir boyutlu termal model, 
termodinamik ısı üretim hesaplama yöntemini kullanarak farklı akım talepleri altında 
hücrede oluşan maksimum sıcaklığı tespit etmiştir. Üç boyutlu termal model ise, 
hücrenin geometrik detaylarının da modellenmesini içererek farklı akım taleplerinin, 
ortam sıcaklığındaki değişimin ve konveksiyon ısı transfer katsayısındaki değişikliğin 
maksimum hücre sıcaklığına etkisini incelemiştir. Bir boyutlu termal modelin 
oluşturulması için MATLAB/Simulink programı, üç boyutlu termal model için ANSYS kullanılmıştır. SpaceClaim kullanılarak yakıt pili hücresi tasarlanmıştır. 
Ayrıca, model sonuçlarını deneysel sonuçlarla karşılaştırmak için bir deneysel test 
düzeneği tasarlanmış ve deneysel çalışma yapılmıştır. Horizon H-500XP yakıt pili
kullanılmıştır. Maksimum hücre sıcaklığı sonuçları, deneysel test sonuçları ile bir 
boyutlu termal model arasında %5 ile %6,7 arasında bir fark oluşturmuş, deneysel test 
sonuçları ile üç boyutlu termal model arasında ise %3,1 ile %9,1 arasında değişen bir 
fark oluşturmuştur. Akım talebindeki artış ve ortam sıcaklığındaki artışın hücre 
sıcaklığını önemli bir şekilde artırdığı tespit edilmiştir. Konveksiyon ısı transfer
katsayısındaki değişim sonucu oluşan maksimum hücre sıcaklığı farklarının akım
talebi arttıkça arttığı gözlenmiştir.

Abstract:
Hydrogen is a clean, renewable energy source and it can be used instead of 
conventional fossil fuels in order to address environmental problems such as climate 
change and global warming. Fuel cells that can utilise hydrogen are known as 
environmentally friendly systems as they generate electricity by releasing water 
without any carbon emissions. Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells have 
significant potential thanks to their low operating temperatures, high power densities, 
and compactness. Although the efficiency of a PEM fuel cell system depends on the 
type and operating temperature, it is generally higher than other hydrocarbon fuel 
based systems. The efficiency of a PEM fuel cell is related to the cell temperature and 
therefore, thermal management is crucial to maintain high system efficiency. 
Mathematical modelling of the thermal behaviour of PEM fuel cells is essential for the 
management of the system efficiency. In this study, the thermal behaviour of a single 
cell is determined by using one dimensional and three dimensional models by 
calculating the total heat generation of a fuel cell stack connected to a power 
measurement instrument and operated at variable current demands. The one 
dimensional thermal model calculated the maximum temperature in a cell under 
different current demands using thermodynamic heat generation calculation method. 
The three dimensional thermal model included the geometric details of the cell and 
calculated the effects of different current demands, change in ambient temperature and 
change in convection heat transfer coefficient on the maximum cell temperature. MATLAB/Simulink was used to generate the one dimensional thermal model, and 
ANSYS was used to create the three dimensional thermal model. The cell was 
designed by using SpaceClaim. Furthermore, an experimental test rig was designed 
and commissioned to compare the model results against with the experimental results. 
Horizon H-500XP PEM fuel cell was used. The results showed that the deviation for 
the maximum cell temperature between the model and the experimental results ranged 
from 5% to 6,7% for the one dimensional model and from 3,1% to 9,1% for the three 
dimensional model. It was detected that the increase in current and ambient 
temparature significantly increased the cell temperature. It was observed that the
maximum cell temperature differences resulting from the change in convection heat 
transfer coefficient increase as the current demand increases.