Gaz difüzyon tabakası gözeneklilik değerlerinin proton değişim membran yakıt hücresi (PEMFC) performansına etkisinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) yöntemi ile incelenmesi

Abstract

Bu tez çalışması kapsamında, düzlemsel geometriye sahip bir proton değişim membranlı yakıt hücresinin (PDMYH) matematiksel modeli, üç boyutlu olarak bilgisayar ortamında kurulmuştur. Anot ve katot olmak üzere iki bölümden ve toplamda dokuz katmandan oluşan PDMYH, akım toplayıcı tabakalar, gaz kanalları, gaz difüzyon tabakaları (GDL), katalizör tabakaları ve bu iki bölümü birleştiren bir membran içerir. Yakıt hücresi ağ yapısının kurulmasının ardından elektro-kimyasal tepkime, momentum, kütle, enerji ve elektrik yükü aktarım fenomenleri yöneten diferansiyel denklem sistemi ve sınır şartları tanımlanmış ve Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiğinde Sonlu Hacimler Yöntemiyle kurulan matematiksel model ANSYS FLUENT yazılımıyla çözülmüştür. GDL bileşeninin fiziksel özelliklerinden biri olan gözenekliliğin dört farklı değeri için PDMYH analiz edilerek, elektrik akımı yoğunluğunun hücre elektrik potansiyeline bağlı değişimi incelenmiştir. Yakıt hücre çeşitlerine ve tarihçelerine ayrıca değinilen bu çalışmada, seçilen anot ve katot GDL gözeneklilik değerleri için, HAD (CFD) yöntemiyle elde edilen basınç, hız, sıcaklık, hidrojen (H2), oksijen (O2) ve tepkime sonrası oluşan su (H2O) mol oranları, sıvı su aktivitesi ve elektrik akımı yoğunluğu değerleri düzlemsel kesitlerde kontur grafikleri çizdirilerek görselleştirilmiş, hücre elektriksel gerilimine bağlı olarak hesaplanan üretilen akım yoğunlukları kutuplaşma eğrileriyle sunulmuş; elde edilen en yüksek ve en düşük akım yoğunluklarının sırası ile 0,6 ve 0,3 GDL gözeneklilik değerleri için ortaya çıktığı gözlenmiştir. Fiber yapılı GDL geçirgenliğinin gözenekliliğine bağlı olarak hesaplanmasının, çok fazlı akış modelinin aktive edilmesinin ve çok bileşenli gaz karışımı kütle difüzyon katsayısı hesabının yakıt hücresinin performans değerlerinin hesaplanması üzerindeki etkileri belirlenmiştir.In this thesis, a mathematical model of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) with a planar geometry is formed in three dimensions in computer environment. The PEMFC consists of two sections called anode and cathode and a total of nine layers which include current collectors, gas channels, gas diffusion layers (GDL), catalyst layers, and a membrane which connects the two sections. After the generation of the fuel cell mesh structure, system of partial differential equations and relevant boundary conditions governing the electro-chemical reactions, momentum, mass, energy and electric charge transport phenomena that take place within the fuel cell are given and the mathematical model thus formed is solved by Finite Volume Method of the Computational Fluid Dynamics by means of ANSYS Fluent. Then, the change of electric current density as a function of cell electric potential is calculated by analyzing PEMFC for four values of anode and cathode GDL porosity. In this study, where fuel cell types and their histories are also introduced, for various values of GDL porosity, pressure, velocity, temperature, hydrogen (H2), oxygen (O2) and water (H2O), which is generated as a result of electro-chemical reactions that take place within the cell, mole fractions, liquid water activity and electric current density results of the CFD simulations are visualized by means of contour plots in selected section cuts through the cell, as well as calculated generated electric current density curves as a function of cell electric potential, namely polarization curves, are presented, and maximum and minimum current densities are observed to arise for GDL porosity values of 0.6 and 0.3, respectively. The effects of calculation of GDL permeability as a function of its porosity for fibrous porous structures, activation of multi-phase flow model and accounting mass diffusion coefficient of a multi-component gas mixture on the accuracy of the fuel cell performance results are emphasized.