Polimer elektrolit membranlı yakıt hücresi için model geliştirilmesi ve comsol programı ile simülasyonu

Abstract

Polimer Elektrolit Membranlı Yakıt Hücreleri (PEMYH) kolay çalıştırılma, yüksek akım ve güç yoğunluğu, düşük çalışma sıcaklığı ve buna bağlı olarak düşük miktarda atık ısı ile taşınabilir ve hareketli sistemlerde yaygın olarak kullanılan enerji dönüşüm sistemlerinden biridir. PEMYH'nin çalışması ve performansı ile ilgili pek çok çalışma bulunmasına rağmen karmaşık yapılarından dolayı çözülmeyi bekleyen çok fazla problem bulunmaktadır. PEMYH araştırmalarında başvurulan çözüm teknikleri içinde bilgisayarlı modelleme ve simülasyon PEMYH uygulamaları için umut vadeden bir araştırma yöntemidir. Pek çok araştırmacı daha iyi modeller geliştirebilmek için PEMYH'nin çalışmasını bilgisayar ortamında taklit etmeye çalışmaktadır. Tüm modellerin diğerlerine göre avantajları ve dezavantajları bulunmakla birlikte halen geliştirilmeleri gerekmektedir.Bu çalışmada literatürde bulunan önceki çalışmalardan iki boyutlu bir PEMYH modeli belirlenmiş ve COMSOL Multiphysics v5.1 programı kullanılarak simülasyonu yapılmıştır. Gaz kanallarındaki serbest akış için Navier-Stokes, gözenekli ortamdaki akış için Brinkman, kütle transferi için Maxwell-Stefan ve akım yoğunluğu için Butler-Volmer denklemleri COMSOL v5.1 programı aracılığı ile numerik olarak çözülmüş ve akışkanların (H2, hava, su) PEMYH içerisindeki serbest ve gözenekli ortamdaki akışları, iyonların (H+) konsantrasyon dağılımları ve elektrolit potansiyeli dağılımı elde edilmiş; polarizasyon eğrisi çizilmiş ve önceki çalışmalarla karşılaştırılmıştır. Yapılan karşılaştırmalarda tez kapsamında oluşturulan simülasyon sonucu bulunan sonuçların literatürdeki çalışmalarda bulunan sonuçlarla uyumlu olduğu görülmüş; farklar değerlendirilmiştir.

A fuel cell is an electrochemical device that efficiently converts chemical energy directly into electrical energy in a clean and silent way. Among many types of fuel cells, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) is one of the most commonly used fuel cell type due to its relatively easy startup phase, low operating temperature, low amount of waste heat, high power density, and longer lifetime. PEMFC has a large usage area both in households and industries either as a portable or stationary power system. Although there are a vast amount of studies on PEMFCs, there are unsolved problems due to their intricate structure. Among the available scientific techniques used in PEMFC research, computational modeling and simulation is a promising tool that could reveal micro-processes limiting rate and efficiency encountered in PEMFC operation. Thus, many researchers have been trying to develop better models mimicking an operating PEMFC. So far developed models have their own advantages and disadvantages. And the models are still needed to be improved.In this study a 2D PEMFC model is adopted from previous studies and simulated using COMSOL MP v5.1 in order to have a starting point for developing a better representative PEMFC model. Navier-Stokes, Brinkman, Butler-Volmer, and Maxwell-Stefan equations are solved to calculate the free flow in the gas channels, the species transport in porous layers, current distribution and the mass transport in the model, respectively.Velocity field and electrolyte potential are obtained from the numerical solution. Furthermore, the polarization curve is plotted and compared with the previous studies. It is found that the results are in compliance with previous studies.