Stokiyometri Oranının İki Hücreli PEM Yakıt Hücresi Yığını Performansına Etkisinin İncelenmesi

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. Son zamanlarda 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. Gerekli 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 sonucuna ulaşılmıştır.

Anahtar Kelimeler:

PEM Yakıt Pili, Yakıt Pili Yığını, Stokiyometrik Oran

PDF

___

[1] Çelik, S. (2018). Akış Kanalı Tasarımının PEM Yakıt Pili Performansına Etkilerinin İncelenmesi. Niğde Ömer Halis Demir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 7(1), 407-416.
[2] Barbir, F. (2005). Introduction. PEM Fuel Cells Theory and Practice, Elsevier Academic Press, London, 17-30.
[3] Bilgili M., Bosomoui M., Tsotridis G. (2015). Gas flow field with obstacle for PEM fuel cells at different operating conditions. International Journal of Hydrogen Energy, 40(5), 2303-2311.
[4] Bilgili, M. (2019). İki Hücreli PEM Yakıt Pili Yığının Sayısal Analizi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 7 (4) , 999-1011.
[5] Bilgili M. ve Sivrioğlu M. (2016). PEM Yakıt Pilinin Değişik Membran Elektrot Çifti Kalınlıklarında ve Farklı Çalışma Basıncı Koşullarında Üç Boyutlu Sayısal Analizi, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 31 (1).
[6] Eker Kahveci̇, E. ve Taymaz, İ. (2013). Akış Kanalı Genişliğinin PEM Tipi Yakıt Hücresi Performansına Etkisinin İncelenmesi. Sakarya University Journal of Science, 17 (2), 195-200.
[7] J. Zhang, J. Wu, H. Zhang. (2013). PEM Fuel Cell Testing and Diagnosis, Elsevier.
[8] Kahraman, H., Çevik, I., Coşman, S. (2014). Sıkıştırma Basıncının PEM Yakıt Pili Performansına Etkisi. 2. Uluslararası Mühendislik ve Bilim Alanında Yenilikçi Teknolojiler Sempozyumu, Karabük, 1008-1015.
[9] Mahreni, Mohamad, A. B., Khadum, A. A. H., Daud, W. R. W. (2011). Nanocomposite electrolyte for PEMFC Application. Advances in Nanocomposites: Synthesis, Characterization and Industrial Applications, 263.
[10] Santarelli, M. G., Torchio, M. F., Calı, M., Giaretto, V. (2007). Experimental analysis of cathode flow stoichiometry on the electrical performance of a PEMFC stack. International journal of hydrogen energy, 32(6), 710-716.
[11] Özdoğan, M., Namlı, L., Durmuş, A. (2016). PEM Yakıt Hücrelerinde Geometrik Boyutların Hücre Performansı Üzerine Etkilerinin Sayısal İncelenmesi. Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 7 (2) , 116-124.
[12] Sedighizadeh, M., Rezazadeh, A., Khoddam, M., Zarean, N. (2011). Parameter optimization for a PEMFC model with particle swarm optimization. International Journal of Engineering and Applied Sciences, 3(1), 102-108.
[13] Şenol, R., Üçgül, İ., Acar, M. (2006). Yakıt Pili Teknolojisindeki Gelişmeler Ve Taşıtlara Uygulanabilirliğinin İncelenmesi. Mühendis ve Makina, 47(563), 37-50.
[14] Taner, T., Eroğlu, L. (2008). Geleceğin Enerjisi Proton Değişimli Membran Yakıt Pilinde Su Yönetiminin Önemi, VII. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, UTES’2008, İstanbul, 735-741.
[15] Yan, Q., Toghiani, H., Causey, H. (2006). Steady state and dynamic performance of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) under various operating conditions and load changes. Journal of Power Sources, 161(1), 492-502.
[16] Yılmaz, A., Ünvar, S., Ekmen, M., Aydın, S.(2017). Yakıt Pili Teknolojisi. Technological Applied Sciences, 12 (4) , 185-192.
[17] Adam Polak, Grzegorz Grzeczka & Tomasz Piłat (2017) Influence of cathode stoichiometry on operation of PEM fuel cells’ stack supplied with pure oxygen, Journal of Marine Engineering & Technology, 16:4, 283-290, DOI: 10.1080/20464177.2017.1381061
[18] Tatyana V. Reshetenkoa, Guido Bender, Keith Bethune, Richard Rocheleau (2011), Systematic study of back pressure and anode stoichiometry effects on spatial PEMFC performance distribution, Electrochimica Acta, 56, 8700– 8710.
[19] Bosung Kim, Dowon Cha, Yongchan Kim (2015) The effects of air stoichiometry and air excess ratio on the transient response of a PEMFC under load change conditions, Applied Energy, 138, 143–149.
[20] Sunhoe Kim, S. Shimpalee, J.W. Van Zee (2004) The effect of stoichiometry on dynamic behavior of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) during load change, Journal of Power Sources, 135, 110–121.
[21] Zirong Yang, Qing Du, Zhiwei Jia, Chunguang Yang, Kui Jiao, (2019) Effects of operating conditions on water and heat management by a transient multi-dimensional PEMFC system model, Energy, 183, 462-476.