2-D modeling of a proton exchange membrane fuel cell

Abstract

Bu tez çalışmasında, COMSOL ticari programı kullanılarak, proton geçirgen zarlı yakıt hücresinin 2 farklı kesit alanı iki-boyutlu olarak modellenmiştir. İki çalışmada da sabit durum, sabit sıcaklık ve tek fazlı akış koşulları varsayılmıştır. Elektrokimyasal denklemler kullanılarak, akış hızı, akım yoğunluğuna bağlı olarak kataliz yüzeyinde sınır koşulu olarak tanımlanmıştır. Ayrıca, gözenekli ortamdaki akış Darcy Kuralı ile modellenirken, girdilerin kanal boyunca tükenmesi esnasında oluşabilecek sonuçları öngörebilmek için akışa paralel olan kesit, Brinkman denklemleri kullanılarak değiştirilmiş Navier-Stokes denklemleri ile tanımlanmıştır. Aslında reaksiyona girecek türlerin tükenmesi, çalışma koşulları ayarlanarak düzeltilebilmektedir. Fakat yakıt hücresi yığınlarının orta kısımlarında bulunan tek yakıt hücrelerinde bu ayarlamayı yapabilmek oldukça zordur. Bu sebepten, basınç farkı çok azaltılarak girdi miktarı sınırlandırılıp, yakıt hücreleri için önemli bir problem olan girdi tükenmesi olayı, tek bir yakıt hücresi kullanılarak modellenmiştir. Model sonucunda, girdi tükenmesinin yakıt hücresi üzerinde olumsuz etkileri olduğu saptanmıştır. Hatta hücre potansiyeli yeteri kadar azaltıldığında, anot kanalları üzerinde reaksiyon gerçekleşmeyen bazı ölü bölgeler oluşmuştur. Bu yüzden hücre potansiyeli düşürüldügü halde, akım yoğunluğunun gittikçe azalarak yok olduğu saptanmıştır.Anahtar Kelimeler: Proton Geçirgen Zarlı Yakıt Hücresi, Sayısal Modelleme, COMSOL, Girdilerin Kanal Boyunca Tükenmesi, Kataliz Tabakası Yığılma Modeli

In this thesis, a Proton Exchange Membrane Fuel Cell is modeled with COMSOL Multi- physics software. A cross-section that is perpendicular to the flow direction is modeled in a 2-D, steady-state, one-phase and isothermal configuration. Anode, cathode and membrane are used as subdomains and serpentine flow channels define the flow field . The flow velocity is defined at the catalyst layers as boundary conditions with respect to the current density that is obtained by using an agglomerate approach at the catalyst layer with the help of fun- damental electrochemical equations. Darcy?s Law is used for modeling the porous media flow. To investigate the effects of species depletion along the flow channels, a different type of cross-section that is parallel to the flow direction is modeled by adding flow channels as a subdomain to the anode and cathode. Differently, Brinkman Equations are used to define flow in the porous electrodes and the free flow in the channels is modeled with Navier-Stokes equations. By running parallel-to-flow model, mass fractions of species at three different locations (the inlet, the center and the exit of the channel) are predicted for different cell po- tentials. These mass fractions are used as inputs to the perpendicular-to-flow model to obtain performance curves. Finally, by maintaining restricted amount of species by having a very low pressure difference along the channel to represent a single mid-cell of a fuel cell stack, a species depletion problem is detected. If the cell potential is decreased beyond a critical value, this phenomenon causes dead places at which the reaction does not take place. Therefore, at these dead places the current density goes to zero unexpectedly.Keywords: Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Numerical Modeling, COMSOL Multi- physics, Species Depletion Along the Channel, Catalyst Layer Agglomerate Model