Değişken Su Konsantrasyonlarında Pem Yakıt Pilinin İki Boyutlu Modellemesi

Abstract

Enerjinin depolanması, taşınması ve yeniden istenilen formdaki enerjiye dönüştürülmesinde önemli avantajları barındıran hidrojen, son yıllarda en hızlı gelişen teknolojilerden biridir. Bu nedenle araştırmalar açısından da önemli bir konuyu oluşturmaktadır. Hidrojen enerjisi konusundaki araştırmaların en ağırlıklı kısmını yakıt pilleri oluşturmaktadır. Yakıt pilleri yan ürün olarak yalnızca su çıkarması, yüksek verimli ve sessiz çalışması gibi avantajlara sahiptir. Yakıt pilleri; güç santralleri, otomobiller, dizüstü bilgisayarlar, cep telefonları gibi farklı ölçekte güç gerektiren yerlerde kullanılabilir. Yakıt pilleri içerisinde düşük sıcaklıklarda çalışmaları ve yüksek verimleri sebebiyle en çok ilgi çekenlerden biri PEM yakıt pilleridir. Yakıt pillerinin matematiksel modellemesi, piller üzerindeki araştırma-geliştirme çalışmalarında zaman, emek ve ekonomik açıdan tasarruf sağlayan, daha önemlisi malzeme, tasarım ve işletimde nasıl ve ne yöndeki değişimlerin yakıt pillerinin performansını istenen yönde değiştireceğini öngörerek araştırmalara önemli bir yön vermektedir. Yapılan bu tez çalışmasında; daha önce membran için sabit su konsantrasyonu ve dolayısıyla sabit iletkenlik varsayımı altında yapılmış bir YL tez çalışması kapsamında geliştirilen 2 boyutlu PEM yakıt pili modeli, membrandaki su konsantrayonunun değişkenliği göz önüne alınarak geliştirilmiştir. Bu amaçla öncelikle literatür taraması yapılarak PEM yakıt pillerinin matematiksel modelleri ve özellikle tezin konusu olan membranda değişken su konsantrasyonlu modeller incelenmiştir. Literatürdeki bu modellerin yaklaşımları ve bu yaklaşımların modellerin kestirimleri üzerindeki etkileri de incelenerek tez çalışması için uygun bir model kurulmuştur. Kurulan matematiksel model yardımıyla membranda su dengesi üzerinde farklı etkilerin katkıları incelenmiş ve yakıt pillerindeki en önemli kayıplardan biri olan membrandaki ohmik kayıplar daha doğru bir şekilde modellenmiştir. Sonuç olarak PEM yakıt pilinin iki boyutlu ve değişken su konsantrasyonlu bir matematiksel modeli kurularak, farklı pil potansiyellerinde membranda su konsantrasyonunun iletkenliğe etkisi incelenmiştir. Ayrıca bu model yardımıyla farklı çalışma gerilimleri için gaz konsantrasyonu dağılımları, difüzif, konvektif ve elektro-osmotik akılar, polarizasyon eğrileri ve potansiyel-akım değişimleri belirlenmiştir. Bundan sonraki tez çalışmalarında daha gelişmiş yakıt pili modellerinin geliştirilmesi için bu tez çalışmasının bir basamak oluşturması hedeflenmiştir.

Hydrogen, which provides energy storages, energy transfer and reforming of energy, is one of the art-of-technology in recent years. In that case, it is the most important subject for researches. Studies on hydrogen energy are mostly focused on fuel cell technology. The main advantages of fuel cell are releasing of water content instead of hydrocarbons and noisless operating instead of internal combustion engines. Fuell cells can be used in a large range of product cathegory like power plants, laptops, cell phones with several power demands. PEM fuel cell is the most popular investigation area due to low temprature operating property and high efficiency characteristic. Modelling of fuel cells provides advantages in terms of timing, workforce and economical and the most of important thing is the know-how knowlage about material, design and operating conditions which depends on fuel cell performance which rotates recent searches. In this study, a previous 2D PEMFC modelling study which has been done with the assumption of constant water concentration in membrane and so constant conductivity has been developed with variable water content in electrolyte. A wide literature survey on the topics ?PEM fuel cell modelling with variable water concentration? is performed and than efffects of water concentration to conductivity with different fuell cell is reviewed in 2D modelling of PEM fuel cell. The effects of different parameters on water balance in membrane are investigated and ohmic losses which is the main loss of the fuel cell potantial is modelled. As a result, a 2D mathematical model with variable water content in membrane elektrolyte is developed and for different operating potentials, effects of water content to membrane conductivity are investigated. Additionally, the distribution of gas concentrations, diffusive, convective and electro-osmotic drags, polarization curves and potential-current variation are defined fot different operation voltages with this model. Within the results of this study, which parametric properties of PEM fuel cell is reviewed, can achive and be a referance for future studies on PEM fuel cell diagnotistics.