Development of air-breathing polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell for small uav application

Abstract

Polimer zar değişim yakıt hücreleri kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine çevirebilen cihazlar (donanım-aygıt) olmakla birlikte içten yanmalı motorlara olan bazı üstün özellikleri sayesinde taşınabilir veya sabit güç kaynağı uygulamalarına potansiyel bir alternatif olarak sunulabilir. Bu çalışma, güç gereksinimi 200W 'ın altında olan küçük insansız hava araçları uygulamaları için hava dolaşımlı (solumalı) ve hava soğutmalı PEM yakıt hücreleri geliştirmek için yürütülmüştür. İHA hacim ve ağırlık kısıtlamalarını göz önünde tutarak, aktif alan formunu (10 x 2 cm2) ve akış kanallarını en optimum şekilde tasarladım. Akışkanlar Mekaniği analizi, ANSYS Fluent yazılım programı kullanılarak, en az basınç düşümü ve optimum hız profilleri seçilerek, farklı kanal şekilleri ve optimum dizayn (çift dönüşlü) için gerçekleştirilmiştir. Prototip üretimi öncesinde MATLAB programı ile Elektrokimyasal simülasyonlar yakıt hücresi performansını (IV ve Güç Eğrileri) öngörebilmek için yapılmıştır. Ayrıca, DOE hedefleri için, ilk testler tek bir hücre üzerinde yapılmıştır.Çift kutuplu levhalara sırasıyla malzeme, özgün tasarım ve üretim prosesi açısından odaklanılmıştır. Expanded Graphite (EG) polimer kompozit çift kutuplu levhaların imalatı için alternatif bir üretim tekniği üzerinde çalışılmıştır. Kesme kalıpları, kanalları ticari olarak belirlenmiş 0.6 mm kalınlığında EG tabakaları kesebilmek için dizayn edilmiştir. Bir tek çift polar levha oluşturabilmek için akış kanalları kaldırılmış üç ayrı tabaka, ticari iletken epoxy ile birbirine yapıştırılmıştır. Nihai ürün, elektro mekanik özellikleri yönünden olduğu gibi yoğunluk, ağırlık ve maliyet ile de karakterize edilebilir. Planlanmış üretim prosesi, hem küçük ölçekli üretim için hem de seri üretim için güzel bir alternatif olabilir. Yukarıdaki çalışmalara ek olarak, reaktif gazların sızıntısını engellemek ve gaz yayım aracı (gas diffusion media, GDL) ve çift kutuplu levhalar arası kontak direncini azaltmak amacıyla PEM yakıt hücresi uygun bir sıkma torku ile sıkıştırılır. Gözenekli yapısı ve gaz geçirgenliği ile GDL, yakıt hücresinin performansını önemli ölçüde değiştiren sıkıştırma basıncından doğrudan etkilenir. Optimum hücre performansını elde etmek amacıyla, tek hücre performans testleri beş farklı sıkma torku değerlerinde gerçekleştirilmiştir. Optimum hücre performansı hakkında sonuçlar çıkarabilmek için deneysel ve teorik sonuçlar karşılaştırılmıştır.

Polymer exchange membrane fuel cells (PEMFC) are the devices that directly convert Chemical energy into Electrical energy and are potential candidates for portable and stationary power supply applications due to their several advantages over combustion engines. This study has been carried out to develop Air breathing and air cooling PEM Fuel cell stack for small Unmanned Aerial Vehicle (UAV) application with a power requirement of 200W. Keeping in view the available space and weight constraints of UAV, I have optimally designed the shape of active area (10 x 2 cm2) and flow channels. Fluid flow analysis using ANSYS Fluent software was performed on different channel shapes and an optimal design (double serpentine), with least pressure drop and optimal velocity profiles, was selected. Electro-chemical simulations were also done to predict the fuel cell performance (IV and Power curves) using MATLAB software prior manufacturing the prototype. Moreover, for the sake of DOE targets, initial tests were performed on single cell. Bipolar plates were more focused in terms of alternate material, novel design and fabrication process. An alternate fabrication technique was studied to manufacture Expanded Graphite (EG) polymer composite bipolar plates. Cutting molds were designed to cut channels on thin (0.6 mm) commercially acquired EG sheets. Three separate sheets, with flow channel textures removed, were glued to each other by a commercial conductive epoxy to build a single bipolar plate. The final product was characterized in terms of electro-mechanical properties as well as density, weight and cost. Fabrication process devised can be good alternate for small scale as well as mass production. Moreover, a PEM fuel cell stack is provided with an appropriate clamping torque to prevent leakage of reactant gases and to minimize the contact resistance between gas diffusion media (GDL) and bipolar plates. GDL porous structure and gas permeability is directly affected by the compaction pressure which consequently drastically change the fuel cell performance. Single cell performance tests were performed at five different clamping torque values for achieving optimal cell performance. Experimental and theoretical results were compared for making inferences about optimal cell performance.