Dynamical modeling of water transport in polymer electrolyto membrane cell (PEMFC) designs

Abstract

Polimer Elektrolit Membran Yakıt Hücresi (PEMYH) Tasarımlarında SuGeçişinin Dinamik ModellenmesiMustafa Fazıl SerincanÖZETPolimer elektrolit membranlı yakıt hücresinin (PEMYH) membran elektrotbirleşkesi içindeki kütle, momentum ve yük korunumu ile ilgili birbirine bağımlı kısmitürevli diferansiyel denklemler içeren, iki boyutlu hesaplamalı akışkanlar dinamiği(HAD) modeli geliştirilmiştir. HAD modeli geleneksel ve girişik kanal tasarımlıPEMYHler için çözdürülmüştür. Girişik kanal tipinde eş yönlü ve ters yönlü akıştasarımları incelenmiştir. Ayrıca membrandaki su geçişinin dinamiği de eklenerekPukrushpan'ın formülasyonu üzerine kurulu bir noktasal model geliştirilmiştir.Modellerden elde edilen polarizasyon eğrileri, Ticianelli'nin geleneksel tip yakıthücresi ile ve He'nin girişik kanallı tip yakıt hücresi ile yaptıkları deney sonuçları ilekarşılaştırılmıştır. Model sonuçlarının deney verileriyle örtüştüğü gözlemlenmiştir.Noktasal model sonuçlarının, HAD model sonuçlarıyla benzer olduğu ve noktasalmodelin HAD modele iyi bir alternatif olabileceği gözlemlenmiştir. Girişik kanal tipliPEMYHlerde, eş yönlü akışın tersyönlü akışa oranla daha iyi performans sağladığıtespit edilmiştir. Farklı yakıt hücresi tasarımları için sistemin voltajdaki, havabasıncındaki ve havanın bağıl nemliliğindeki değişikliklere olan geçici rejim ve kararlırejim cevapları incelenmiştir. Membranda su transferinin sistemin geçici rejim cevabınaetkileri vurgulanmış ve bu etkilerin PEMYHnin çalışmasında önemli bir rol oynadığıgözlemlenmiştir.

Dynamical Modeling of Water Transport in Polymer Electrolyte Membrane FuelCell (PEMFC) DesignsMustafa Fazıl SerincanABSTRACTA two-dimensional finite element computational fluid dynamics (CFD) model,including coupled partial differential equations of mass, momentum and chargeconservation inside a membrane electrode assembly of a polymer electrolyte membranefuel cell (PEMFC) are developed. The CFD model is solved for PEMFCs withconventional and interdigitated gas flow fields. For the PEMFC with interdigitated flowfields both coflow and counterflow designs are studied. Furthermore a dynamic lumpedmodel based on the formulation of Pukrushpan et al. (2003) is developed with theaddition of membrane?s transient water transport.Models are validated by comparing the polarization curves with the experimentaldata of Ticianelli et al. (1988) for MEAs with conventional gas distributors and He et al.(2000) for MEAs with counterflow interdigitated gas distributors. The results of thelumped model and the CFD model for conventional design are shown to be comparableand lumped model proves to be a good substitute of CFD model for control studies. Forthe interdigitated case, coflow is found to be superior to counterflow in the performanceof the cell. Transient and steady-state responses of the fuel cell system to changes in cellvoltage, air pressure and relative humidity of air are investigated for each design. Theeffect of transient water transport is emphasized and it is observed that it plays a criticalrole in the operation of a PEMFC for both designs.