PEM tipi yakıt hücresinin ısıl, mekanik, elektro-kimyasal ve akış davranışlarının modellenmesi

Abstract

Yakıt hücresi reaktantların sahip olduğu kimyasal enerjiyi yanma olmadan doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren elektro-kimyasal bir cihazdır. Kabaca yakıt hücresi anot ve katotu oluşturan elektrotlar ile seçici geçirgen elektrolitten (membran) oluşur. Anotta hidrojen elektron ve protonlarına ayrılır. Protonlar membrandan geçerken, elektronlar membranın elektriksel olarak yalıtkan olması nedeniyle harici bir devre üzerinden akarak katota ulaşır. Burada oksijen, proton ve elektronlar ile birleşerek elektrik, su ve ısıyı oluşturur. Teorik olarak reaktantlar dışarıdan beslendiği sürece elektrik üretimi sonsuza kadar devam eder. Yakıt pilleri, yanma gerçekleşmediğinden dolayı yüksek verime, yüksek akım yoğunluğuna, düşük emisyon değerlerine sahip olmaları ve hareketli parçaları barındırmamaları nedeniyle mobil uygulamalarda, içten yanmalı motorlar ile pillerin yerini almaya adaydırlar.Bu çalışmada yakıt hücrelerinin çalışma parametrelerinden basınç, sıcaklık ve havanın stokiyometrik oranının hücre performansına etkisi Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) programı kullanılarak incelenmiştir. Deneysel ve teorik I-V eğri sonuçları matematiksel modelin doğruluğu açısından karşılaştırılmıştır. Proses sırasında oluşan sıcaklık farkları ile yakıt hücresine uygulanan sıkma kuvveti etkisi, Sonlu Elemanlar Analizi (FEM) programında incelenerek hücre içerisindeki gerilme dağılımı bulunmuştur.Fuel cell is an electro-chemical equipment that converts the chemical energy directly to the electrical energy without combustion. Basically, fuel cell is composed of electrodes which are anode, cathode and a selective electrolyte (membrane). At anode side hydrogen gas is broken into electrons and protons. Protons pass through the membrane, whereas electrons reach the cathode over an external circuit. At the cathode side, oxygen gas reacts with the hydrogen ion and the electrons which generate electricity and heat as outputs and water as a product. Theoretically, electricity generation can continue forever if the reactants are supplied. Fuel cell technology is a candidate for being used at mobile applications instead of internal combustion engines, since they have higher efficiency and zero or lower emissions. The process doesn?t involve burning or moving parts.In this study, the effect of fuel cell working parameters, such as pressure, heat and reactant stoichiometric ratios, on fuel cell performance is analyzed by using Computational Fluid Dynamics (CFD) prgramming. Theoretical I-V curve results obtained from the mathematical model are verified with the real time performance measurements. Stress distribution in the fuel cell cross section is analyzed with Finite Elements Analysis (FEM) programs.