Hava soğutmalı bir pem yakıt pilinin bir boyutlu ve üç boyutlu termal analizi

Abstract

Hidrojen temiz, yenilenebilir bir enerji kaynağıdır ve iklim değişikliği, küresel ısınma gibi çevre sorunlarının çözümünde geleneksel fosil yakıtların yerine kullanılabilir. Hidrojen tüketen yakıt pilleri, karbon emisyonu olmadan su açığa çıkararak elektrik ürettikleri için çevre dostu sistemler olarak bilinir. Proton Değişim Membranlı (PEM) yakıt pilleri, düşük çalışma sıcaklıkları, yüksek güç yoğunlukları ve kompakt olmaları sayesinde önemli bir potansiyele sahiptir. PEM yakıt hücresi sisteminin verimliliği türüne ve çalışma sıcaklığına bağlı olmakla birlikte genel olarak diğer hidrokarbon yakıt bazlı sistemlere göre daha yüksektir. Bir PEM yakıt hücresinin verimliliği hücre sıcaklığıyla ilişkilidir ve bu nedenle yüksek sistem verimliliğini sürdürmek için termal yönetim çok kritiktir. PEM yakıt hücrelerinin termal davranışının matematiksel modellenmesi, sistem verimliliğinin yönetimi için önemlidir. Bu çalışmada, bir güç ölçere bağlı olan ve değişken akım taleplerinde çalıştırılan yakıt pili yığınının toplam ısı üretimi hesaplanarak tek bir hücrenin davranışı bir boyutlu ve üç boyutlu olarak modellenmiştir. Bir boyutlu termal model, termodinamik ısı üretim hesaplama yöntemini kullanarak farklı akım talepleri altında hücrede oluşan maksimum sıcaklığı tespit etmiştir. Üç boyutlu termal model ise, hücrenin geometrik detaylarının da modellenmesini içererek farklı akım taleplerinin, ortam sıcaklığındaki değişimin ve konveksiyon ısı transfer katsayısındaki değişikliğin maksimum hücre sıcaklığına etkisini incelemiştir. Bir boyutlu termal modelin oluşturulması için MATLAB/Simulink programı, üç boyutlu termal model için ANSYS kullanılmıştır. SpaceClaim kullanılarak yakıt pili hücresi tasarlanmıştır. Ayrıca, model sonuçlarını deneysel sonuçlarla karşılaştırmak için bir deneysel test düzeneği tasarlanmış ve deneysel çalışma yapılmıştır. Horizon H-500XP yakıt pili kullanılmıştır. Maksimum hücre sıcaklığı sonuçları, deneysel test sonuçları ile bir boyutlu termal model arasında %5 ile %6,7 arasında bir fark oluşturmuş, deneysel test sonuçları ile üç boyutlu termal model arasında ise %3,1 ile %9,1 arasında değişen bir fark oluşturmuştur. Akım talebindeki artış ve ortam sıcaklığındaki artışın hücre sıcaklığını önemli bir şekilde artırdığı tespit edilmiştir. Konveksiyon ısı transfer katsayısındaki değişim sonucu oluşan maksimum hücre sıcaklığı farklarının akım talebi arttıkça arttığı gözlenmiştir.Hydrogen is a clean, renewable energy source and it can be used instead of conventional fossil fuels in order to address environmental problems such as climate change and global warming. Fuel cells that can utilise hydrogen are known as environmentally friendly systems as they generate electricity by releasing water without any carbon emissions. Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells have significant potential thanks to their low operating temperatures, high power densities, and compactness. Although the efficiency of a PEM fuel cell system depends on the type and operating temperature, it is generally higher than other hydrocarbon fuel based systems. The efficiency of a PEM fuel cell is related to the cell temperature and therefore, thermal management is crucial to maintain high system efficiency. Mathematical modelling of the thermal behaviour of PEM fuel cells is essential for the management of the system efficiency. In this study, the thermal behaviour of a single cell is determined by using one dimensional and three dimensional models by calculating the total heat generation of a fuel cell stack connected to a power measurement instrument and operated at variable current demands. The one dimensional thermal model calculated the maximum temperature in a cell under different current demands using thermodynamic heat generation calculation method. The three dimensional thermal model included the geometric details of the cell and calculated the effects of different current demands, change in ambient temperature and change in convection heat transfer coefficient on the maximum cell temperature. MATLAB/Simulink was used to generate the one dimensional thermal model, and ANSYS was used to create the three dimensional thermal model. The cell was designed by using SpaceClaim. Furthermore, an experimental test rig was designed and commissioned to compare the model results against with the experimental results. Horizon H-500XP PEM fuel cell was used. The results showed that the deviation for the maximum cell temperature between the model and the experimental results ranged from 5% to 6,7% for the one dimensional model and from 3,1% to 9,1% for the three dimensional model. It was detected that the increase in current and ambient temparature significantly increased the cell temperature. It was observed that the maximum cell temperature differences resulting from the change in convection heat transfer coefficient increase as the current demand increases.