Modeling of a high temperature PEM fuel cell

Abstract

Yüksek sıcaklıkta çalışan polimer elektrolit membran yakıt pilleri (HT-PEMFC), birçok avantaj sağladığı için yakıt pillerinin gelecek nesli olarak düşünülmektedir. Yüksek sıcaklık operasyonun sağladı bu avantajlar: tek fazlı operasyon, yüksek karbon monoksit toleransı, düşük ya da sıfır karbon emilimi ve bazı ekipmanların sistemden çıkarılabilmesidir. Yüksek sıcaklıkta çalışan PEM yakıt pillerinin boyutları, materyalleri, çalışma koşulları ve diğer parametreleri daha iyi performanslar elde edebilmek için optimize edilmelidir. Modelleme, farklı tasarım parametrelerinin ve çalışma koşullarının yakıt pili performansı üzerindeki etkisini öngörmeye yardımcı olmaktadır. Ayrıca, bu analizlerin modelleme ile yapılması, deneysel olarak yapılmasından daha kısa süreceği için zaman kazandırmaktadır.Bu çalışmada, üç boyutlu yüksek sıcaklıkta çalışan PEM yakıt pili geliştirilmiştir. Model, eş sıcaklıklı ve durağan durumda gerçekleştirilmiştir. Model alanı, tek akış kanalına ve çoklu akış kanalına sahip olarak iki farklı geometride düşünülmüştür. Geliştirilen modeller, lisanslı ve paket yazılım programı olan Comsol Multiphysics 5.0 programı ile çalıştırılmış ve programın Yakıt Pilleri & Bataryalar modülü kullanılmıştır. Bu programda, korunum denklemleri sonlu element metodu ile çözülmektedir. Ayrıca, Yakıt Pilleri modülün bulunması bu programın yüksek sıcaklıkta çalışan PEM yakıt pillerinin kullanılmasında avantaj sağlamaktadır. Bu çalışma kapsamında bazı kritik parametreler yüksek sıcaklıkta çalışan PEM yakıt pili performansı etkileyen parametreler olarak öngörülmüştür. Bu parametreler: anot ve katot tarafına beslenen reaktant gazların giriş hızları (veya debileri), polimer membranın proton iletkenliği ve çözüm ağı stratejisidir. Reaktantların sisteme giriş hızlarının etkisi ve polimer membranın proton iletkenliğinin etkisi, hem tek akış kanalına sahip hem de çoklu akış kanalına sahip modeller için çalışılmıştır. Ancak çözüm ağı stratejisinin etkisi sadece çoklu akış kanalına sahip model için çalışılmıştır. Çalışmanın sonucunda görülmüştür ki, sisteme yeterli oksijen beslendiği sürece reaktantların sisteme giriş hızlarının arttırılması performansı olumlu yönde etkilemiştir. Buna ek olarak, polimer membranın proton iletkenliğinin arttırılması da daha iyi performans elde edilmesini sağlamıştır. Çözüm ağı etkisinin incelenmesinde ise görüşmüştür ki çözüm elementlerinin boyutu küçüldükçe daha hassas sonuçlar elde edilmiştir. Elde edilen tüm model sonuçları, deney sonuçları ile doğrulanmıştır.

High temperature polymer electrolyte membrane fuel cells (HT-PEMFC) are considered as the next generation of fuel cells since high temperature operation for PEM fuel cells has several advantages such as single phase operation, high carbon monoxide tolerance, low or zero carbon emission and removal of some equipment from the system. In order to obtain high performances, HT-PEMFC systems should be optimized in terms of dimensions, materials, operating conditions and other parameters. Modeling can help to pre-estimate the effects of different design parameters and operating conditions on the fuel cell performance, which shortens the required time for these analysis in reference to the time spent for experiments. In this study, three-dimensional (3-D) model of HT-PEMFC is developed. The model is implemented as isothermal and steady-state. Model domains are considered for two different geometries: single flow channel and multiple flow channels. Models are simulated by using licensed software package program Comsol Multiphysics 5.0, and its Fuel Cells & Batteries module. The program has solved the governing equations by finite element method. Moreover, it is an advantage to use this program for HT-PEMFC modeling by the reason of including Fuel Cell module. In the scope of this study, some critical parameters are prescribed as effective parameters for HT-PEMFC performance. These are inlet velocities (or flow rates) of reactant gases to the both anode and cathode inlet gas channels, conductivity of the membrane and meshing strategy. Influences of inlet velocities of reactant gases and conductivity of the membrane are studied for both single channel and multiple channel HT-PEMFC models, while influence of meshing strategy is studied for only multiple channel HT-PEMFC model. It is seen that increasing inlet velocities of reactants (hydrogen and air) enhances HT-PEMFC performance as long as enough oxygen is supplied to the system. In addition, increasing proton conductivity of the membrane provides better performance for both channel geometries. For the effect of meshing strategy, it is found that the results are more accurate for small size of mesh elements. For all models that have been developed are validated with the experimental data.