PEM yakıt hücresi reaktant kanallarının performansa etkisinin nümerik olarak incelenmesi
Numerical investigation of the effect of PEM fuel cell reactant channels on performance
Yazar: MUZAFFER FURKAN SÜN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN KAHRAMAN
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Polimer Elektrolit membranı (PEM) yakıt hücrelerinin çevre kirliliğine avantaj sağlamasının yanı sıra yüksek enerji verimi ile diğer yakıt pillerine göre daha çok ilgi görmeye başlamıştır ancak PEM yakıt hücrelerinin asıl görevi bipolar plakalar üzerinde yer alan gazın çift yönde akan reaktant gaz dağılımını sağlarken aynı zamanda elektrokimyasal reaksiyonlar sonucunda oluşan suyu hücreden atmayı sağlamasıdır. Oluşan gaz dağılımını ve suyun tahliye edilmesini etkileyen faktörlerden birisi de akışın gerçekleşeceği geometridir. Bu çalışmalarda sadece akıştaki geometrik dizaynı değil suyun tahliye kabiliyetinin daha net ve iyi bir şekilde gerçekleştirerek reaktant gaz dağılımının daha homojen olabileceği bir yapı elde edilmeye çalışılmıştır. Bu konuda çeşitli şekillerden esinlenerek spiral tasarımı geometriye uygun ölçüm ve değerlerle birlikte oluşturulmuştur. Literatürde sıkça bulunan serpatin modeli ele alınarak spiral modeli ile grafiksel, fibonacci geometrisi ile polarizasyon eğrisinde karşılaştırılmıştır. Yapılan çalışma ilk olarak belirlenen ölçülerde çizilip Ansys FLUENT programının fluid özelliği ile akışkanların dinamiksel ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan bu çalışmada gaz akışının gerçekleştiği alan 4 cm2 olarak alınmış ve tüm kritik nokta değerleri bu alana göre girilmiştir. Ortaya çıkan yapının Hücre içerisinde sadece voltajdan kaynaklı sıcaklık değişimleri değil basınç, hız, akım yoğunluğu, reaktant gaz dağılımları reaksiyonların sonucunda oluşan suyun membran içindeki dahil olmak üzere katot kanallarındaki dağılımlarıda inceleme altına alınmıştır. Oluşturulan bu üç tasarımın düşük akım yoğunluklarında yaklaşık olarak aynı performanslara sahip oldukları görülmüştür. Serpantin tasarımında elde edilen değerler neticesinde diğer tasarımlara göre daha net ve iyi performasların akımın yüksek olduğu yerlerde görüldüğü fark edilmiştir. Bu farkın görülmesi ile akış kanalındaki alanın uzunlukla orantılı şekilde artış göstermesi hücre performansına dezavantaj durum kazandırmış ve kötü yönde etkilemiştir. 

Anahtar Kelimeler: PEM Yakıt Hücreleri, HAD, Akış Kanal Tasarımı

Abstract:
Polymer Electrolyte membrane (PEM) fuel cells have started to attract more attention compared to other fuel cells due to their high energy efficiency, as well as the advantage of less environmental pollution. The main task of these PEM fuel cells is to provide the double-flowing reactant gas distribution of the gas on the bipolar plates, while at the same time removing the water formed as a result of electrochemical reactions from the cell. One of the factors affecting the gas distribution and the discharge of water is the geometry in which the flow will take place. In these studies, it has been tried to obtain a structure in which the reactant gas distribution can be more homogeneous by realizing not only the geometric design in the flow, but also the discharge ability of the water more clearly and better. In this regard, inspired by various shapes, the spiral design was created with measurements and values suitable for geometry. The serpatine model, which is frequently found in the literature, was taken into consideration and compared with the spiral model graphically, and the Fibonacci geometry with the polarization curve. The study was first drawn in the determined dimensions and dynamical measurements of fluids were carried out with the fluid feature of the Ansys FLUENT program. In this study, the area where the gas flow takes place is taken as 4 cm2 and all critical point values are entered according to this area. In the resulting structure, not only the temperature changes due to voltage, but also the pressure, velocity, current density, reactant gas distributions, and the distribution of the water formed as a result of the reactions in the cathode channels, including inside the membrane, were examined. It has been observed that these three designs have approximately the same performances at low current densities. As a result of the values obtained in the serpentine design, it has been noticed that more clear and better performances are seen in places where the current is high compared to other designs. With this difference, the increase in the area in the flow channel proportionally to the length has brought a disadvantage to the cell performance and adversely affected it.

Keywords: PEM Fuel Cells, CFD, Flow Channel Design