Stokiyometri Oranının İki Hücreli PEM Yakıt Hücresi Yığını Performansına Etkisinin İncelenmesi


Cellek M. S. , Bilgili M.

Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, cilt.9, sa.1, ss.134-147, 2021 (Diğer Kurumların Hakemli Dergileri)

  • Yayın Türü: Makale / Tam Makale
  • Cilt numarası: 9 Konu: 1
  • Basım Tarihi: 2021
  • Doi Numarası: 10.29109/gujsc.799620
  • Dergi Adı: Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji
  • Sayfa Sayıları: ss.134-147

Özet

Buhar enerjisinin sanayide kullanılmaya başlanmasıyla beraber fosil yakıtların önemi artmıştır. Fakat özellikle son günlerde küresel ısınma sorunu dünyada ciddi olarak hissedilmektedir. Bu sorunun en önemli sebebi de fosil yakıtların yakılmasıyla açığa çıkan zararlı emisyonlardır. Dünya bu sorunu ortadan kaldırmak amacıyla çeşitli alternatif enerji kaynaklarına yönelmiştir. Alternatif enerji dönüştürücüleri arasında yer alan PEM yakıt hücrelerine olan ilgi artmaktadır. Bu çalışmada, iki hücreli PEM yakıt hücresi yığını performansına stokiyometri oranının etkisi sayısal olarak incelenmiştir. Her biri 5,4 cm2 aktif alana sahip iki yakıt hücresi seri bağlanarak gaz akış kanalları paralel olacak şekilde belirlenip yığın haline getirilmiştir. Sayısal hesaplamalar yapılıp çeşitli potansiyel fark değerlerinde (1 V, 1,2 V, 1,4 V, 1,6 V, 1,8 V) beş farklı stokiyometri oranı (“1,5”, “2”, “2,5”, “3”, “3,5”) kullanılarak sayısal analizler gerçekleştirilmiştir. Beş farklı stokiyometri değeri için polarizasyon eğrileri ve güç-akım yoğunluğu eğrileri elde edilmiştir. Ayrıca sabit bir voltajdaki stokiyometri oranının etkisini görebilmek için en fazla güç miktarının elde edildiği 1Volt değerinde dört farklı stokiyometrik oran ile oluşan membran sıcaklık dağılımı, anot kütle kesri dağılımı ve katot kütle kesrinin dağılımları elde edilmiştir. Bu çalışma ile stokiyometrik oranın artmasıyla birlikte akım yoğunluğunun arttığı, bu artış oranının azalarak devam ettiği görülmüştür. En yüksek güç değerine ise 3,5 stokiyometrik oranında ve 1 V değerinde ulaşılmıştır. Bununla birlikte artan stokiyometrik oranla beraber membran sıcaklığında kısıtlı artış gerçekleşirken anot ve katot kanallarında hidrojen ve oksijen dağılımlarının daha homojen hale geldiği görülmüştür. 

The importance of fossil fuels has increased with the use of steam energy in industry. But especially in recent days, the problem of global warming is being felt seriously in the world. The most important reason for this problem is harmful emissions caused by burning fossil fuels.  The world has turned to various alternative energy sources in order to eliminate this problem. Interest in PEM fuel cells, which are among alternative the energy converters, has been increasing. In this study, the effect of stoichiometry ratio on the performance of two-cell PEM fuel cell stack was analyzed numerically. Two fuel cells each with an active area of 5.4 cm2 were connected in series, and the gas flow channels were determined in parallel and stacked. Numerical analysis was performed with five different stoichiometry ratios (1.5, 2, 2.5, 3, and 3.5) at various cell voltage values (1 V, 1.2 V, 1.4 V, 1.6 V, 1.8 V). Polarization and power-current density curves were obtained for five different stoichiometry ratio values. In addition, in order to see the effect of the stoichiometry ratio on a constant voltage, temperature distribution of the membrane, the anode and the cathode mass fraction distributions formed by four different stoichiometric ratios at 1 Volt, where the maximum amount of power is obtained. With this study, it was observed that current density increased with the improvement in the stoichiometric ratio and the amount of this increment continued to decrease. The highest power value was obtained at the stoichiometric ratio of 3.5 and 1 V potential difference value. However, with the increasing stoichiometric ratio, it was concluded that hydrogen and oxygen distributions became more homogeneous in the anode and cathode channels while a limited increase in membrane temperature occurred.