Proton değişimli bir yakıt hücre sisteminin hesaplamalı akışkanlar dinamiği esaslı modellenmesi
Computational fluid dynamics based modelling of a proton exchange membrane fuel cell system
Yazar: ABDULLAH MEVLÜT MUTLUEL
Danışman: PROF. DR. ALİ NACİ ÇELİK
Abant İzzet Baysal Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Makine mühendisliği = Mechanical engineering ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Bu tezde, Proton Değişimli Membran tipi (PEMFC) bir yakıt hücre yığınının çoklu fiziksel modellenmesi gerçekleştirilmiştir. Birbirinin aynı 42 tabakadan oluşan yığının her bir tabakasının yüzey alanı 26.25 cm2'dir. Çoklu fiziksel modelleme, söz konusu tabakalardan birisi esas alınmak suretiyle, bu tabaka üzerinde 0.72 cm2'lik bir birim hücre üzerinden gerçekleştirilmiştir. Comsol Multiphysics yazılımı kullanılarak 3 boyutlu olarak oluşturulan çoklu fiziksel model 0.4-0.9 V aralığında çözümlenmiştir. Çalışma koşulları olarak tek fazlı akış, sabit sıcaklık ve kararlı koşullar seçilmiş, yer çekimi etkisi göz ardı edilmiştir. Tanımlanan hücrenin fiziksel bileşenleri olan akış kanalı, gaz difüzyon tabakası, elektrot ve zar oluşturulan çoklu fiziksel modelde ayrı ayrı tanımlanmıştır. Model oluşturulurken ihtiyaç duyulan karakteristik fiziksel veriler katalog bilgisi olarak sağlandığı durumlarda üretici tarafından sunulan bilgilerden, bunun aksi durumunda ise literatürden elde edilmiştir. Üç boyutlu geometrik model ve diğer fiziksel karakteristikler ile birlikte, yakıt hücre sistemi içerisinde gerçekleşen fiziksel süreçler uygun matematiksel denklemler vasıtasıyla tanımlanmıştır. Anotta hidrojen ve su konsantrasyonu, katotta oksijen ve su konsantrasyonu ve polarizasyon eğrisi ile anot katalizör akım yoğunluğu, katot aşırı-potansiyeli, anot akım yoğunluğu, katot elektrik potansiyeli, anot aşırı-potansiyeli ve anot elektrik potansiyeli gibi temel değişkenler hesaplanmıştır. Modelleme ile elde edilen polarizasyon eğrisi doğrulama amacı ile ürün kataloğu ile karşılaştırılmıştır.

Abstract:
In this thesis, multiphysics modelling of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) stack was performed. The stack is made up of 42 identical layers, and each individual layer has a surface area of 26.25 cm2. Multiphysics modelling has been done based on one of the individual layers, by further defining a unit cell of 0.72 cm2. The multiphysics model of the unit cell described, constructed in 3-D by using Comsol Multiphysics software, has been solved in the range of 0.4 - 0.9V. Single phase flow, constant temperature and steady state were chosen as modelling conditions and gravity effect was ignored. Bipolar plate, gas diffusion layer, electrodes and membrane, which are the physical components of the unit cell described, have been separately defined within the multiphysics model. The characteristic physical data required in the modelling process has been derived from the data provided by the manufacturer when available or otherwise by the related literature. Together with the 3-D geometric model and the physical characteristics, the physical processes taking place within the cell have been described by the appropriate mathematical equations. The main variables-such as the concentration of oxygen and water at the cathode, the concentration of hydrogen and water at the anode and current density, electric potential and overpotential, have been acquired from the solutions of the equations in the model. The polarisation curve also obtained from the model has been compared to the curve provided by the manufacturer.