Polimer elektrolit membran (PEM) yakıt pillerinin performans karakteristiklerinin sayısal incelenmesi
Numerical investigation of performance characteristics of polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells
Yazar: MUHAMMET ÖZDOĞAN
Danışman: PROF. DR. AYDIN DURMUŞ
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Yapılan tez çalışmasında, tek hücreli yapıya sahip bir yakıt pilinde, çalışma parametrelerinin, kanal kesit boyutlarının ve kanal kesit geometrisinin yakıt pilinin performansına olan etkisi incelenmiştir. Bu amaçla kararlı ve üç boyutlu model geliştirilmiştir. Yapılan analizler sonucunda; pil potansiyelinin, gücün ve yerel transfer karakteristiklerinin değişimleri araştırılmıştır.
Çalışma parametreleri olarak; sıcaklık, basınç ve hava debisinin yakıt pili performansına olan etkileri incelenmiştir. Kanal boyutlarının yakıt pili performansına olan etkisini araştırmak amacıyla, farkı kanal yükseklik ve genişlikleri için analizler yapılmıştır. Kanal kesit geometri yapısının yakıt pili performansına olan etkisini incelemek amacıyla, dörtgen, üçgen, trapez ve yarım elips kanal kesit geometrilerine sahip yakıt pilleri modellenmiştir. Kanal geometrisinin değişmesiyle; kanal kesit alanı büyüklüğü, kanal yüksekliği, kanal genişliği, akım toplama plakası omuz genişliği ve yakıt pili genişliği büyüklüklerinden biri veya birkaçı değiştiğinden, kanal kesit geometrisinin etkisi dört farklı durum için incelenmiştir. İncelenen ilk durumda, kanalların kesit alanı büyüklükleri, ikinci durumda, kanalların yükseklikleri, üçüncü durumda, kanalların ve akım toplama plakası omuzlarının genişlikleri, dördüncü durumda ise, kanalların ve pillerin genişlikleri farklı alınmıştır.
Elde edilen, maksimum akım yoğunluğu; hava debisinin 4.322e-6 kg/s olduğu durumda en yüksek, 2.751 A/cm2, hava debisinin 2.708e-7 kg/s olduğu durumda ise en düşük, 0.63 A/cm2 olmuştur. Akım yoğunluğunun artmasıyla birlikte elde edilen güç miktarı maksimum değere kadar artmış, akım yoğunluğunun artmaya devam etmesiyle düşüşe geçmiştir. Maksimum güç; Durum 4 için üçgen kanal kesit geometrisinin olduğu durumda en yüksek, 1.769 W, debinin 2.708e-7 kg/s olduğu durumda ise en düşük, 0.517 W olmuştur. Maksimum ortalama güç miktarı ise, Durum 4 için üçgen kanal kesit geometrisinin olduğu durumda, 1.388 W, minimum ortalama güç miktarı, debinin 2.708e-7 kg/s olduğu durumda, 0.401 W olarak bulunmuştur. En fazla basınç kaybı, sıcaklığın 353.15 K, basıncın 100 kPa olduğu durumda 118.808 Pa olarak bulunmuştur. En düşük basınç kaybı ise, kanal genişliğinin 2.0 mm, kanal yüksekliğinin 1.6 mm olduğu durumda, 1.046 Pa olarak bulunmuştur. Reaksiyonların gerçekleştiği katalizörlere yakın bölgelerde ve konsantrasyon dağılımlarının daha iyi olduğu bölgelerde, daha yüksek sıcaklık dağılımları oluşmuştur.

Abstract:
In this study, the effect of working parameters, dimensions and geometries of flow channel cross section on the performance of a PEM fuel cell which has a single cell structure has been investigated. For this purpose, a steady-state and three-dimensional model was developed. As a result of the analyses performed; changes in cell potential, power and local transfer characteristics were investigated.
As working parameters; the effects of temperature, pressure and air flow on the fuel cell performance were investigated. In order to investigate the effect of channel dimensions on fuel cell performance, analyses were performed for fuel cell with different channel height and width. In order to investigate the effect of flow channel cross-sectional geometry on fuel cell performance; fuel cells with the geometry of square, triangular, trapezoidal, and half-elliptical were modeled. By changing the channel geometry; the channel cross-sectional area size, channel height, channel width, current collector shoulder width, and fuel cell width size change. For this reason, the effect of the channel cross-sectional geometry has been investigated for four different cases. In the first case examined, the cross-sectional area sizes of the channels, in the second case, the heights of the channels, in the third case, the widths of the channels and shoulders of the current collection plate and in the fourth case, the widths of the channels and the cell are taken differently.
As a result, maximum current density; the lowest value was 0.63 A/cm2 in the case where the mass flow rate was 4.322e-6 kg/s and the highest was 2.751 A/cm2 in the case where the mass flow rate was 2.708e-7 kg/s. As the current density increases, the amount of power obtained increases till pick value then it decrease. The highest maximum power was obtained for Case 4 at the triangular cross-sectional geometry as 1.769 W, and the lowest was obtained at 2.708e-7 kg/s air flow rate as 0.517 W. The maximum average power amount is 1.388 W in the case of triangular channel geometry for Case 4. Minimum average power is 0.401 W in the case of air flow rate with 2.408e-7 kg/s. The maximum pressure loss was found to be 118.808 Pa when the temperature was 353.15 K and the pressure was 100 kPa. The lowest pressure loss was found 1.046 Pa when the channel width was 2.0 mm and the channel height was 1.6 mm. Higher temperature distributions occurred in regions near the catalysts where the reactions take place where the concentration distributions are better.