PEM yakıt pilinin iki boyutlu modellemesi

Abstract

Üniversitesi : stanbul Teknik ÜniversitesiEnstitüsü : Enerji EnstitüsüProgramı : Enerji Bilim ve TeknolojiTez Danışmanı : Doç. Dr. Altuğ ŞişmanTez Türü ve Tarihi : Yüksek Lisans-Aralık 2006ÖZETPEM YAKIT P L N N K BOYUTLU MODELLEMESMurat AydınYapılan bu çalışmada, sonlu eleman metodu kullanılarak 2 boyutlu, kararlı haldeçalışan bir PEM yakıt pilinin sayısal modeli kurulmuştur. Model kurulduktan sonraliteratürdeki sonuçlarla modelin doğrulaması yapılıp, model üzerinde farklı difüzyonmodelleri, daha gerçekçi sınır şartları, gözeneklilik katsayısı ve sıcaklık ve basınçbağımlı difüzyon katsayıları gözönüne alınarak irdelemeler yapılmıştır.Tez çalışmasında geliştirilen yakıt pili modeli yardımıyla farklı çalışma gerilimleri içingaz konsantrasyonu dağılımları, difüzif ve konvektif akılar, voltaj-akım ve voltaj-güçdeğişimleri belirlenmiştir. Ayrıca polarizasyon eğrileri esas alınarak dizayn ve işletmeparametreleri incelenmiştir. Elektrot kalınlığı ve uzunluğunun azaltılması sonucu dahaiyi performans elde edildiği ve böylece küçük boyutlardaki PEM yakıt pillerinden dahaiyi performansa sahip olabilecekleri görülmüştür. Yakıt pilinde en büyük kayıplardanbirini oluşturan membran kaybının azaltılmasında membran kalınlığının azaltılması vemembran iletkenliğini arttırmanın önemi anlaşılmıştır. Sıcaklık, basınç gibi çalışmaparametrelerinin yakıt pili performansı üzerinde önemli etkileri olduğu görülmüştür.Parçalı tip kanalda paralel ve karşıt akış tipleri arasında performans bakımındananlamlı bir fark olmadığı görülmüştür. Ayrıca gaz giriş ve çıkış kesitlerinin artmasıdurumunda daha iyi performans eğrileri elde edilmiştir.Bilgisayar ortamında gerçekleştirilen sayısal model yardımıyla sanal bir deney ortamıoluşturularak parametrik incelemelerin yapıldığı bu çalışmayla, gelecekte 3 boyuttadaha detaylı malzeme, reaksiyon ve denge analizleri yapılabilecek gelişmiş bir modeliçin temel bir model geliştirilmiştir.Anahtar Kelimeler: Hidrojen enerjisi, PEM yakıt pili, modellemeBilim Dalı Sayısal Kodu:

University : stanbul Technical UniversityInstitute : Institute of EnergyProgramme : Energy Science and TechnologySupervisor : Doc.Dr. Altuğ ŞişmanDegree Awarded and Date : M.Sc.-December 2006ABSTRACT2D MODELL NG OF A PEM FUEL CELLMurat AydınIn this study, 2D steady state mathematical model is developed for a PEM fuel cell byusing finite element method. After a basic model is verified by comparing its results withthe results in literature, some improvements are made on the model. In improved model,more realistic boundary conditions, temperature and pressure dependent diffusivitycoefficients are used and the porosity coefficient is considered.By use of this developed model, distributions of hydrogen, oxygen and water vaporconcentrations, diffusive and convective mass fluxes, voltage-current and voltage-powerdensity quantities are determined for different operating voltages. Some design andworking parameters are examined by considering the voltage-current relations. A goodperformance 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 fuelcells. To decrease the membrane loss, which is one of the main losses in a fuel cell, it isunderstood that decreasing the membrane thickness and increasing the conductivity arevery important. The strong effects of running parameters like temperature and pressureon the performance of a fuel cell are predicted. In an interdigitated channel, it is shownthat there is no big difference between parallel and counter flow designs and a betterperformance 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 avirtual fuel cell in a computer environment for experimental studies.Keywords: Hydrogen energy, PEM fuel cell, modellingScience Code: