Proton değişimli membranlı yakıt hücrelerinin matematiksel modeli üzerine bir değerlendirme
A review of a mathematical model of proton exchange fuel cells
Yazar: FETHİ KIRLI
Danışman: PROF. DR. KEMAL ALTINIŞIK
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışma esas olarak, proton değişim membranlı yakıt hücreleri ve bunun matematiksel modeli üzerinde yapılan çalışmaların bir derlemesidir.M.Grujisic ve K.M. Chittajallu tarafından yazılan `'Polimer Elektrolit Zarlı(PEM) Yakıt Pillerinin Dizaynı `' isimli makaleye göre; Polimer elektrolit zar yakıt pillerinin performansı, basit aşamalı iki boyutlu elektrokimyasal model kullanılarak çalışılır. Model, yakıt pilinin optimum dizaynını tespit etmek için çalışma ve hava giriş basıncı gibi geometrik katot parametreleri, katot kalınlığı, uzunluğu ve birbirine geçmiş hava distribitöründeki omuzların genişliği bakımından, lineer olmayan zorlanmış en çok istifade edilen optimizasyon algoritması ile bu model birleştirilir. Ayrıca, yakıt pilinin optimim dizaynının sağlamlığı, pek çok elektrokimyasal reaksiyondaki belirsizlik ve (örneğin, gaz yayılımı, yayılmış partikül büyüklüğü vs.gibi) çeşitli nakil parametreleri açısından istatiksel hassasiyet analizi kullanılarak test edilir. Optimizasyon analizinin sonuçları göstermektedir ki, sabit bir pil voltajında daha yüksek akım yoğunlukları, giriş hava basıncı ve birbirine geçmiş hava distiribitörünün omuzuyla bağlantılı olan katot uzunluğunun fraksiyonu artırıldıkça, katot kalınlığı ile her bir birbirine geçmiş gaz dağıtım omuzu için katot kalınlığı artırıldıkça elde edilir. Diğer taraftan istatistik hassasiyet sonuçları göstermektedir ki, denge katot/zar potansiyel farkı, yakıt pilinin öncede tahmin edilen kutuplaşma eğimi üzerinde en fazla etkiye sahiptir. Bununla birlikte, yakıt pilinin katot kenarının optimal dizaynının denge katot/membrane potansiyel farkı gibi model parametrelerdeki belirsizliklerden etkilenmediği bulunur.Elde edilen sonuçlar, hava akış alanları üzerinde yakıt pili dizaynının etkisi ve katot aktif tabakasından gelen ve giden türlü nakil oranları ile oksijen redüksiyonu yarı reaksiyonu kinetiği arasındaki rekabet bakımından rasyonalize edilir.Anahtar Kelimeler: Yakıt pili, Zar, Proton değişim zarı, Matematiksel model, İstatistik hassaslık analizi.

Abstract:
This study is basicly a view of the studies done on proton exchange fuel cells and its mathematical model.According to an article called??Design and optimization of polymer electrolyte membrane(PEM)fuel cells?? written by M.Grujicic K.M. Chittajallu;The performance of polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells is studied using a single-phase two-dimensional electrochemical model. The model is coupled with a nonlinear constrained optimization algorithm to determine an optimum design of the fuel cell with respect to the operation and the geometrical parameters of cathode such as the air inlet pressure, the cathode thickness and length and the width of shoulders in the interdigitated air distributor. In addition, the robustness of the optimum design of the fuel cell with respect to uncertainties in several electrochemical reaction and species transport parameters (e.g., gas diffusivity, agglomerate particle size, etc.) is tested using a statistical sensitivity analysis. The results of the optimization analysis show that higher current densities at a constant cell voltage are obtained as the inlet air pressure and the fraction of the cathode length associated with a shoulder of the interdigitated air distributor are increased, and as the cathode thickness and the length of the cathode per one interdigitated gas distributor shoulder are decreased. The statistical sensitivity analysis results, on the other hand, show that the equilibrium cathode/membrane potential difference has the largest effect on the predicted polarization curve of the fuel cell. However, the optimal design of the cathode side of the fuel cell is found not to be affected by the uncertainties in the model parameters such as the equilibrium cathode/membrane potential difference.The results obtained are rationalized in terms of the effect of the fuel-cell design on the air flow fields and the competition between the rates of species transport to and from the cathode active layer and the kinetics of the oxygen reduction half-reaction.Key Words: Fuel cells, Membrane, Proton exchange membrane, Mathematıcal model, Statistical sensitivity analysis.