Hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile proton değişim membranlı yakıt hücresinin modellenmesi
Modeling of a proton exchange membrane fuel cell by computational fluid dynamics
Yazar: SALİH OBUT
Danışman: PROF. DR. ERDOĞAN ALPER
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Benzetim = Simulation ; Modelleme = Modelling

Özet:
Bu tez çalışmasında, yatışkın durumda ve izotermal olmayan koşullarda çalışan bir proton değişim membranlı (PEM) yakıt hücresinin içerisinde gerçekleşen taşınım olaylarının analizi için üç-boyutlu, izotermal olmayan ve iki-fazlı bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği modeli sunulmuştur. Geliştirilen yakıt hücresi modeli, kütle, momentum ve enerji korunumu ile birlikte elektrokimyasal reaksiyonlar, membran içerisindeki suyun taşınımı ve sıvı fazdaki suyun oluşumu ve taşınımı gibi olayları içermektedir. Bu taşınım olayları yakıt hücresinin tüm bileşenleri (anot ve katot tek-kutuplu plakalar, difüzyon ve katalizör tabakaları ile proton değişim membranı) dikkate alınarak modellenmiştir.Geliştirilen matematik modele ait kısmi diferansiyel denklemler ve ek eşitlikler sonlu hacimler (FV) yöntemi ile çözümlenmiştir. Model ticari bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) akış çözücüye gerekli tüm kullanıcı tanımlı fonksiyonlar yazılarak entegre edilmiştir. Değişen yakıt hücresi bileşen özellikleri ve işletim koşullarının yakıt hücresi içerisinde gerçekleşen taşınım olaylarına olan etkilerini göstermek amacıyla model, tek akış kanallı bir PEM yakıt hücresinde gerçekleştirilen parametrik analiz çalışmalarında kullanılmıştır. Bu sayısal analiz çalışmalarının sonucunda, hücre özellikleri ve çalışma koşullarının hücre performansını ve sıcaklık, reaktant derişimi, sıvı fazdaki su gibi değişkenlerin yakıt hücresi içerisindeki dağılımlarını nasıl etkilediği gösterilmiş ve hücre performansının iyileştirilmesine yönelik bilgiler ortaya konulmuştur.

Abstract:
In this thesis study, a three-dimensional, non-isothermal and two-phase computational fluid dynamics model is presented for the analysis of transport processes inside a proton exchange membrane (PEM) fuel cell operated under steady-state and non-isothermal conditions. The developed model consists of conservation of mass, momentum and energy as well as electrochemical reactions, membrane water transport and production of liquid water and its transport. These transport processes are modeled by considering the all of the parts (anode and cathode mono-polar plates, diffusion and catalyst layers and proton exchange membrane) of the fuel cell.The governing and additional equations of the developed model are solved by finite volume (FV) technique. The model is implemented to a commercial computational fluid dynamics (CFD) flow solver by writing all the necessary user defined functions. The model is used to perform parametric analysis studies on a single channel PEM fuel cell in order to show the effects of varying fuel cell component properties and operating conditions on the transport processes inside the fuel cell. As a result of these numerical analysis studies, the effects of cell properties and operating conditions on the cell performance and on the distribution of variables such as temperature, reactant concentration, liquid water inside the fuel cell are shown and information related to improvement of the cell performance is stated.