Pem Yakıt Pilinin İki Boyutlu Modellemesi

Abstract

Üniversitesi : stanbul Teknik Üniversitesi Enstitüsü : Enerji Enstitüsü Programı : Enerji Bilim ve Teknoloji Tez Danışmanı : Doç. Dr. Altuğ Şişman Tez Türü ve Tarihi : Yüksek Lisans-Aralık 2006 ÖZET PEM YAKIT P L N N K BOYUTLU MODELLEMES Murat Aydın Yapılan bu çalışmada, sonlu eleman metodu kullanılarak 2 boyutlu, kararlı halde çalışan bir PEM yakıt pilinin sayısal modeli kurulmuştur. Model kurulduktan sonra literatürdeki sonuçlarla modelin doğrulaması yapılıp, model üzerinde farklı difüzyon modelleri, daha gerçekçi sınır şartları, gözeneklilik katsayısı ve sıcaklık ve basınç bağımlı difüzyon katsayıları gözönüne alınarak irdelemeler yapılmıştır. Tez çalışmasında geliştirilen yakıt pili modeli yardımıyla farklı çalışma gerilimleri için gaz konsantrasyonu dağılımları, difüzif ve konvektif akılar, voltaj-akım ve voltaj-güç değişimleri belirlenmiştir. Ayrıca polarizasyon eğrileri esas alınarak dizayn ve işletme parametreleri incelenmiştir. Elektrot kalınlığı ve uzunluğunun azaltılması sonucu daha iyi performans elde edildiği ve böylece küçük boyutlardaki PEM yakıt pillerinden daha iyi performansa sahip olabilecekleri görülmüştür. Yakıt pilinde en büyük kayıplardan birini oluşturan membran kaybının azaltılmasında membran kalınlığının azaltılması ve membran iletkenliğini arttırmanın önemi anlaşılmıştır. Sıcaklık, basınç gibi çalışma parametrelerinin yakıt pili performansı üzerinde önemli etkileri olduğu görülmüştür. Parçalı tip kanalda paralel ve karşıt akış tipleri arasında performans bakımından anlamlı bir fark olmadığı görülmüştür. Ayrıca gaz giriş ve çıkış kesitlerinin artması durumunda daha iyi performans eğrileri elde edilmiştir. Bilgisayar ortamında gerçekleştirilen sayısal model yardımıyla sanal bir deney ortamı oluşturularak parametrik incelemelerin yapıldığı bu çalışmayla, gelecekte 3 boyutta daha detaylı malzeme, reaksiyon ve denge analizleri yapılabilecek gelişmiş bir model için temel bir model geliştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Hidrojen enerjisi, PEM yakıt pili, modelleme Bilim Dalı Sayısal Kodu:

University : stanbul Technical University Institute : Institute of Energy Programme : Energy Science and Technology Supervisor : Doc.Dr. Altuğ Şişman Degree Awarded and Date : M.Sc.-December 2006 ABSTRACT 2D MODELL NG OF A PEM FUEL CELL Murat Aydın In this study, 2D steady state mathematical model is developed for a PEM fuel cell by using finite element method. After a basic model is verified by comparing its results with the results in literature, some improvements are made on the model. In improved model, more realistic boundary conditions, temperature and pressure dependent diffusivity coefficients are used and the porosity coefficient is considered. By use of this developed model, distributions of hydrogen, oxygen and water vapor concentrations, diffusive and convective mass fluxes, voltage-current and voltage-power density quantities are determined for different operating voltages. Some design and working parameters are examined by considering the voltage-current relations. A good performance is obtained when the electrode heights and thicknesses are decreased. Therefore, it is seen that a better performance can be obtained in small size PEM fuel cells. To decrease the membrane loss, which is one of the main losses in a fuel cell, it is understood that decreasing the membrane thickness and increasing the conductivity are very important. The strong effects of running parameters like temperature and pressure on the performance of a fuel cell are predicted. In an interdigitated channel, it is shown that there is no big difference between parallel and counter flow designs and a better performance can be obtained when increasing inlet and outlet cross-section. In this study, a numerical model is developed for a PEM fuel cell which can be used as a virtual fuel cell in a computer environment for experimental studies. Keywords: Hydrogen energy, PEM fuel cell, modelling Science Code: