SERPANTİN KANALLI PEM YAKIT HÜCRESİNİN SAYISAL ANALİZİ. Burak ÖZDEMİR YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 SERPANTİN KANALLI PEM YAKIT HÜCRESİNİN SAYISAL ANALİZİ Burak ÖZDEMİR YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ HAZİRAN 2012 ANKARA

2 Burak ÖZDEMİR tarafından hazırlanan SERPANTİN KANALLI PEM YAKIT HÜCRESİNİN SAYISAL ANALİZİ adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Prof. Dr. Haşmet TÜRKOĞLU Tez Danışmanı, Makina Mühendisliği Anabilim Dalı.. Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Makina Mühendisliği Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. İrfan AR Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı, G.Ü... Prof. Dr. Haşmet TÜRKOĞLU Makina Mühendisliği Anabilim Dalı, G.Ü... Yrd. Doç. Dr. Nureddin DİNLER Makina Mühendisliği Anabilim Dalı, G.Ü... Tarih: 15/06/2012 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof. Dr. Bilal TOKLU.. Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

3 TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Burak ÖZDEMİR

4 iv SERPANTİN KANALLI PEM YAKIT HÜCRESİNİN SAYISAL ANALİZİ (Yüksek Lisans Tezi) Burak ÖZDEMİR GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Haziran 2012 ÖZET Günümüzde sağlık ve çevresel kaygıların yanı sıra enerji ihtiyacının artışı ve enerji kaynaklarının sınırlı olması daha verimli, daha temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarıyla uyumlu yeni nesil enerji teknolojileri için araştırmalar başlatmıştır. Yakıt hücrelerinin yüksek verimlilik, yüksek akım yoğunluğu, düşük emisyon değerlerine sahip olmaları ve sessiz çalışmaları nedeniyle en umut verici enerji dönüştürme teknolojisi olduğu düşünülmektedir. Bu çalışmada serpantin kanallı PEM yakıt hücresi tek fazlı, izotermal olmayan, kararlı halde ve üç-boyutlu olarak analiz edilmiştir. Anot ve katot tarafı için gaz kanalı, akım toplayıcı plaka, gaz difüzyon tabakası, katalizör tabakası ve membran tabakasını içeren PEM yakıt hücresi dokuz tabakadan oluşmaktadır. Simülasyonlar için ANSYS FLUENT 12.1 paket programı kullanılmıştır. Simülasyonlar iki aşamada gerçekleştirilmiştir. Birinci aşamada farklı gaz kanalı genişlikleri ve membran kalınlıkları için simülasyonlar yapılmıştır. Uygun gaz kanalı genişliği ve membran kalınlığı belirlendikten sonra anot giriş nemliliği, reaktan gaz giriş sıcaklığı, çalışma basıncı ve gaz giriş yönü gibi işletme parametrelerinin yakıt hücresi performansı üzerine etkileri incelenmiştir. Bu parametrik çalışmalardan elde edilen sonuçlar polarizasyon eğrileri üzerinde gösterilmiş olup, analiz sonuçları sıcaklık, basınç, akım yoğunluğu, hız ve konsantrasyon dağılımları (H 2, O 2 ve H 2 O kütle kesirleri) grafikler ile sunulmuştur. Analiz sonuçları literatürdeki benzer çalışmalar ile

5 v karşılaştırılmıştır. Simülasyonlar gaz kanalı genişliği, anot giriş nemliliği, reaktan gaz giriş sıcaklığı ve çalışma basıncındaki bir artışın hücre performansını artırdığını göstermiştir. Aynı zamanda anot gazları ve katot gazları akışının zıt yönde olması hücre performansı üzerinde olumlu etkiye sahiptir. Buna karşın membran kalınlığının artışı hücre performansının azalmasına neden olmaktadır. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : PEM yakıt hücresi, sayısal akışkanlar dinamiği, serpantin kanal Sayfa Adedi : 150 Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Haşmet TÜRKOĞLU

6 vi NUMERICAL ANALYSIS OF PEM FUEL CELL WITH A SERPENTINE FLOW CHANNEL (M.Sc. Thesis) Burak ÖZDEMİR GAZI UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY June 2012 ABSTRACT Nowadays an increasing demand for energy and limited energy resources as well as health and environmental concerns have initiated studies for new generation of energy technologies which are more efficient, more clean and compatible with renewable energy sources. Because of fuel cells have high efficiency, high current density and low emissions besides quiet operation, they are thought to be the most promising energy conversion technologies. In this study, PEM fuel cell with serpantine channel was analyzed as a singlephase, non-isothermal, steady state and in three dimensions. PEM fuel cell is composed of nine layers including the gas channel, the current collector plate, the gas diffusion layer, the catalyst layer for the sides of anode and cathode and membrane layer. ANSYS FLUENT 12.1 package program was used for simulations. Simulations were carried out in two stages. First, simulations were made for different gas channel widths and thicknesses of the membrane. After determining the appropriate gas channel width and the thickness of the membrane, the effects of operating parameters such as anode inlet humidity, inlet temperature of reactant gas, operating pressure and the gas flow directions on the performance of fuel cell were investigated. The results obtained from this parametric studies are shown in terms of polarization curves and analysis results of the temperature, pressure, current density, velocity and concentration

7 vii distributions (H 2, O 2, and H 2 O mass fractions) are presented in graphs. The results of analysis were compared to similar studies in the literature. Simulations shown that the increase in the gas channel width, anode inlet humidity, reactant gas inlet temperature and the operating pressure increases the cell performance. Flow of anode gases and cathode gases in opposite direction also has a positive impact on the cell performance. However, increasing membrane thickness causes a decrease in the cell performance. Science Code : Key Words : PEM fuel cell, computational fluid dynamics, serpentine channel Page Number : 150 Adviser : Prof. Dr. Haşmet TÜRKOĞLU

8 viii TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren kıymetli Hocam Prof. Dr. Haşmet TÜRKOĞLU na, maddi ve manevi destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan aileme teşekkürü bir borç bilirim. Hepsinden çok daha önemlisi, Türkiye Cumhuriyeti Devleti nin öğrenimimin her aşamasında bana sağladıkları imkânları şükranla anıyorum.

9 ix İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRACT... vi TEŞEKKÜR... viii İÇİNDEKİLER... ix ÇİZELGELERİN LİSTESİ... xiii ŞEKİLLERİN LİSTESİ.....xv SİMGELER VE KISALTMALAR... xviii 1. GİRİŞ YAKIT HÜCRESİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ VE ÇEŞİTLERİ Yakıt Hücresinin Tarihsel Gelişimi Yakıt Hücre Çeşitleri Alkali yakıt hücresi (AFC) Fosforik asit yakıt hücresi (PAFC) Katı oksit yakıt hücresi (SOFC) Erimiş karbonat yakıt hücresi (MCFC) Doğrudan metanol yakıt hücresi (DMFC) PEM YAKIT HÜCRESİ PEM Yakıt Hücresi Tarihsel Gelişimi PEM Yakıt Hücresi Çalışma Prensibi PEM Yakıt Hücresinin Parçaları Polimer elektrolit membran Katalizör tabakası... 19

10 x Sayfa Gaz difüzyon tabakası Bipolar tabaka (akım toplayıcı plaka) TEORİK YAKIT HÜCRE POTANSİYELİ, ENERJİ VE VERİMLİLİK Temel Denklemler ve Yakıt Hücre Termodinamiği Sıcaklığın hücre potansiyeline etkisi Basıncın hücre potansiyeline etkisi Teorik hücre verimliliği Gerçek yakıt hücre potansiyeli ve verimliliği Gerilim Kayıpları Aktivasyon kayıpları Ohmik kayıplar Konsantrasyon kayıpları İç akımlar ve karşı geçiş (yakıt sızması) kayıpları Gerçek Yakıt Hücre Potansiyeli - Polarizasyon Eğrisi Gerçek Hücre Verimliliği LİTERATÜR ARAŞTIRMASI PEM YAKIT HÜCRESİ MATEMATİKSEL MODELİ Korunum Denklemleri Kütle korunum denklemi Momentum korunum denklemi Enerji korunum denklemi Kütle transfer denklemi... 46

11 xi Sayfa Elektrokimyasal denklemler Sıvı su oluşumu, taşınımı ve etkileri Sınır Koşulları Giriş sınır şartı Çıkış sınır şartı Isıl sınır şartı Duvar sınır şartı Gözenekli tabaka geçiş (Porous jump) sınır şartı SERPANTİN KANALLI PEM YAKIT HÜCRESİNİN SAYISAL ANALİZİ Geometri Oluşturma Ağ Yapısı Oluşturma Çözücü Ayarları Tanımlanarak Analiz İşleminin Yapılması HÜCRE PERFORMANSINI ETKİLEYEN PARAMETRELERİN İNCELENMESİ VE SONUÇLARIN DEĞERLENDİRİLMESİ Geometri Optimizasyonu Gaz kanal genişliğinin hücre performansına etkisi Membran kalınlığının hücre performansına etkisi İşletme Parametrelerinin Etkisi Anot nemliliğinin hücre performansına etkisi Sıcaklığın hücre performansına etkisi Basıncın hücre performansına etkisi Reaktan akış yönünün hücre performansına etkisi

12 xii Sayfa 8.3. Konsantrasyon, Sıcaklık, Basınç, Akım Yoğunluğu ve Hız Niceliklerin Hücre İçindeki Dağılımının İncelenmesi Basınç dağılımı Sıcaklık dağılımı Akım yoğunluğu dağılımı Hız dağılımları Hidrojen kütle kesri dağılımı Oksijen kütle kesri dağılımı Su buharı kütle kesri dağılımı SONUÇ VE ÖNERİLER KAYNAKLAR EKLER EK-1 Kütlesel Akış Oranları ve Kütle Kesirlerinin Hesaplanması ÖZGEÇMİŞ

13 xiii ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. Yakıt hücrelerine ait çalışma sıcaklığı, elektrolit malzeme ve muhtemel uygulamalar... 6 Çizelge 3.1. PEM yakıt hücrelerinin tabakalarına ait fonksiyonlar ve taşıma olayları Çizelge 4.1. Hidrojen oksitlenme reaksiyonu için entalpi, entropi ve Gibbs serbest enerjisi Çizelge 4.2. Hidrojen/oksijen yakıt hücresi reaksiyonlarının entalpi, gibbs serbest enerji ve entropi değerleri, teorik hücre potansiyeli Çizelge 4.3. Farklı sıcaklık ve basınçlardaki teorik hücre potansiyeli Çizelge 6.1. PEM yakıt hücresi analizinde kullanılan korunum denklemleri ve kaynak terimleri Çizelge 6.2. Yakıt hücresinde tanımlanan sınır koşulları ve matematiksel ifadesi Çizelge 7.1. PEM yakıt hücresinin geometrik boyutları Çizelge 7.2 Yakıt hücre fiziksel modelini oluşturan parçalar ve özellikleri Çizelge 7.3. Sayısal modelde tanımlanan sınır koşulları Çizelge 7.4. Under-relaksiyon faktör değerleri Çizelge 7.5. PEM yakıt hücresi modeli elektrokimyasal parametreleri Çizelge 8.1. Gaz kanalı genişliğinin incelenmesinde kullanılan işletme koşulları Çizelge 8.2. Gaz kanalı genişliğinin incelenmesinde kullanılan kütlesel akış miktarları ve kütle kesirleri Çizelge 8.3. Ağ yapısı bağımsızlaştırma çalışması sonuçları Çizelge 8.4. Farklı gaz kanalı genişliğine bağlı olarak reaksiyonda tüketilen hidrojen, oksijen miktarları ve üretilen akım yoğunluğu Çizelge 8.5. Farklı membran kalınlığına bağlı olarak reaksiyonda tüketilen hidrojen, oksijen miktarları ve üretilen akım yoğunluğu... 86

14 xiv Çizelge Sayfa Çizelge 8.6. Anot nemliliği çalışmasında kullanılan işletme parametreleri Çizelge 8.7. Farklı anot nemliliğine bağlı olarak reaksiyonda tüketilen hidrojen, oksijen miktarları ve üretilen akım yoğunluğu Çizelge 8.8. Reaktan giriş sıcaklığı bağlı olarak değişen kütle akış oranları ve kütle kesirleri Çizelge 8.9. Farklı reaktan giriş sıcaklığına bağlı olarak reaksiyonda tüketilen hidrojen, oksijen miktarları ve üretilen akım yoğunluğu Çizelge Çalışma basıncının incelenmesinde kullanılan işletme parametreleri Çizelge Çalışma basıncına bağlı olarak reaksiyonda tüketilen hidrojen, oksijen miktarları ve üretilen akım yoğunlukları Çizelge Farklı akış yönüne bağlı olarak reaksiyonda tüketilen hidrojen, oksijen miktarları ve üretilen akım yoğunluğu Çizelge Niceliklerin dağılımının incelenmesinde kullanılan işletme parametreleri

15 xv ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Yakıt hücresi girdi ve çıktıları... 3 Şekil yılında Sir William Grove tarafından geliştirilen yakıt hücresi... 4 Şekil 2.3. Alkali yakıt hücresinin çalışma prensibi ve kimyasal tepkimeleri... 8 Şekil 2.4. Fosforik asit yakıt hücresinin çalışma prensibi ve kimyasal tepkimeleri... 9 Şekil 2.5. Katı oksit yakıt hücresinin çalışma prensibi ve kimyasal tepkimeleri Şekil 2.6. Eriyik karbonat yakıt hücresinin çalışma prensibi ve kimyasal tepkimeleri Şekil 3.1. PEM Yakıt Hücresinin çalışma prensibinin şematik gösterimi Şekil 4.1. Yakıt hücresindeki gerilim kayıpları ve polarizasyon eğrisi Şekil 6.1. ve için sınır şartlarının şematik gösterimi Şekil 7.1. PEM yakıt hücresi fiziksel modeli Şekil 7.2. PEM yakıt hücresi fiziksel modeli geometrik ölçüleri Şekil elemandan oluşan sayısal ağ yapısı ve sınır koşulları Şekil 7.4. Sayısal model üzerinde tanımlanan sınır koşulları Şekil 7.5. Sayısal model üzerinde tanımlanan duvar sınır koşulları Şekil 7.6. Sayısal model üzerinde tanımlanan gözenekli tabaka geçis (Porous jump) sınır koşulları Şekil 7.7. Çözüm algoritması akış şeması Şekil 8.1. Gaz kanalı kesit görünüşü Şekil ,2 mm gaz kanalı genişliğine sahip hücre için ağ yapısı Şekil 8.3. Farklı gaz kanalı genişlikleri için polarizasyon eğrilerinin karşılaştırılması (P=3 atm, T=70 )... 79

16 xvi Şekil Sayfa Şekil 8.4. Gaz kanalı genişliği 1 mm için elde edilen polarizasyon eğrisinin literatürdeki sonuçla karşılaştırılması (P=3 atm, T=70 ) Şekil 8.5. a) 0,8 mm b) 1mm c) 1,2 mm gaz kanalı genişlikleri için anot gaz kanallarındaki (y=3,17mm) hidrojen kütle kesri dağılımı Şekil 8.6. a) 0,8 mm b) 1mm c) 1,2 mm gaz kanalı genişlikleri için katot gaz kanallarındaki (y=1,5 mm) oksijen kütle kesri dağılımı Şekil 8.7. Gaz kanalı genişline bağlı olarak akım yoğunluğu değişim grafiği ( 0,4 V, P=3 atm, T=70 ) Şekil 8.8. Farklı membran kalınlıkları ile elde edilen polarizasyon eğrileri (P=3 atm, T=70 ) Şekil 8.9. Membran kalınlığı a) 0,05 mm b) 0,079 mm c) 0,108 mm için hidrojen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V) Şekil Membran kalınlığı a) 0,05 mm b) 0,079 mm c) 0,108 mm için oksijen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V) Şekil Membran kalınlığına bağlı olarak akım yoğunluğu değişim grafiği ( 0,4 V, P=3 atm, T=70 ) Şekil Farklı anot nemliliği için polarizasyon eğrileri (P=3 atm, T=70 ) Şekil Anot nemliliğinin hücre performansına etkisinin literatürdeki sonuçlarla karşılaştırılması (P=3 atm, T=70 ) Şekil Anot nemliliği a) 10% b) 50% c) 100% için hidrojen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V) Şekil Anot nemliliği a) 10% b) 50% c) 100% için oksijen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V) Şekil Oksijen ve su buharı mol oranının sıcaklık ile değişimi (katot tarafı) Şekil Hidrojen ve su buharı mol oranının sıcaklık ile değişimi (anot tarafı) Şekil Polarizasyon eğrilerinin sıcaklıkla değişimi (P=3 atm, Bağıl Nem=%100)... 96

17 xvii Şekil Sayfa Şekil Reaktan giriş sıcaklığının hücre performansına etkisinin literatürdeki çalışmalarla karşılaştırılması Şekil a) 70 b) 80 c) 90 reaktan giriş sıcaklığı için hidrojen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V) Şekil a) 70 b) 80 c) 90 reaktan giriş sıcaklığı için oksijen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V) Şekil Farklı hücre çalışma basınçları ile elde edilen polarizasyon eğrileri (T=70, Bağıl Nem=%100) Şekil Çalışma basıncının hücre performansına etkisinin literatürde bulunan çalışmalarla karşılaştırılması (T=70, Bağıl Nem=%100) Şekil a) 1 atm b) 2 atm c) 3 atm çalışma basınçları için hidrojen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V) Şekil a) 1 atm b) 2 atm c) 3 atm çalışma basınçları için oksijen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V) Şekil Farklı akış yönleri ile elde edilen polarizasyon eğrilerinin karşılaştırılması (P=3 atm, T=70 ) Şekil İki farklı akış yönü a) aynı yönlü akış b) zıt yönlü akış için hidrojen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V) Şekil İki farklı akış yönü a) aynı yönlü akış b) zıt yönlü akış için oksijen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V) Şekil z = mm kesitlerinde basınç dağılımı Şekil z = mm kesitlerinde sıcaklık dağılımı Şekil z = mm kesitlerinde akım yoğunluğu dağılımı Şekil z = mm kesitlerinde hız dağılımı Şekil Anot ve katot gaz kanallarındaki (y=1,5) hız vektörlerinin dağılımı Şekil z = mm kesitlerinde hidrojen kütle kesri dağılımı Şekil z = mm kesitlerde oksijen kütle kesri dağılımı Şekil z = mm kesitlerde su buharı kütle kesri dağılımı

18 xviii SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama H Entalpi J mol -1 G Gibbs serbest enerjisi J mol -1 S Entropy J mol -1 K -1 E Potansiyel V n Bir molekül için elektron sayısı R Gaz sabiti J mol -1 K -1 P Basınç Pa T Sıcaklık K Verim p Basınç oranı V Potansiyel V i Akım yoğunluğu A cm -2 i o Değişim akım yoğunluğu A cm -2 Transfer katsayısı R i Bölgesel direnç Ω cm 2 W İş W S i R Kaynak terimi Gaz sabiti F Faraday sabitini C mol -1 M Molar kütle kg kmol -1 Akışkan yoğunluğu kg m -3 Gözeneklilik geçirgenlik m 2 Dinamik viskozite kg s -1 m -1 u, v, w hız bileşenleri m s -1

19 xix k Isıl iletkenlik W/m-K Elektriksel direnci ohm J i Difüzyon kütle akısı kgm -2 s -1 Y i Kütle oranı Elektriksel iletkenlik ohm -1 m -1 elektriksel potansiyel V D Difüzyon katsayısı m -2 s -1 i Stokiyometrik akış oranı I ref Referans akım yoğunluğu A m -2 X Mol oranı Kısaltmalar an AFC cat DMFC GDL HAD mem MCFC MEA PEMFC PAFC Pt SOFC sol UDF Açıklama Anot Alkali yakıt hücresi Katot Doğrudan metanol yakıt hücresi Gaz difüzyon tabakaları Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Membran Erimiş karbonat yakıt hücresi Membran eloktrot birlikteliği Proton Değişim Membranlı yakıt hücresi Fosforik asit yakıt hücresi Platin Katı oksit yakıt hücresi Katı Kullanıcı tanımlı fonksiyonlar

20 1 1.GİRİŞ Günümüzde teknolojik gelişmeler ve dünya nüfusunun hızla artması sonucu olarak, enerji tüketimi ve güç gereksinimleri giderek artmaktadır. Enerji ihtiyacının büyük bir kısmı sanayi devriminden bu yana fosil yakıtlardan karşılanmaktadır. Fosil yakıt kullanımı atmosferdeki CO 2 konsantrasyonunu önemli ölçüde artırarak, milyonlarca insanın sağlığını tehdit eden hava kirliğine neden olmakta ve küresel ısınmaya katkı sağlamaktadır [1]. Sağlık ve çevresel kaygıların yanı sıra sınırlı fosil yakıt rezervlerinin tükenmesi, insanoğlunun enerji dönüşümü ve enerji üretimi için geleneksel ısı makinalarından daha verimli, daha temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarıyla uyumlu yeni nesil teknoloji arayışı içine girmesine neden olmuştur. Yakıt hücresi, yukarıdaki tüm gereksinimleri karşılayan en umut verici ve potansiyel enerji dönüştürme teknolojisi olarak belirlenmiştir. Yakıt hücresi teknolojisi, özellikle uzay keşiflerinde, birçok alanda kullanılmaktadır [1]. Yakıt hücrelerinin sahip olduğu bu avantajlar, teknolojinin geliştirilmesi ve ticarileştirilmesi için itici güç oluşturmaktadır. Günümüzde yakıt hücrelerinin en önemli dezavantajı bütün çeşitler için aynı olan maliyettir. Farklı türleri için güçlü özellikleri ve farklı uygulamalara öncülük eden çeşitli avantajları (verimlilik, basitlik, düşük emisyon, sessiz çalışma gibi) vardır [2]. Dahası, yakıt hücreleri genellikle, elektrik enerjisi üretiminde 40% daha fazla verimlilik, yüksek güç yoğunluğu ve yüksek verime sahiptir bununla birlikte yakıt hücresinden atılan ısı, ısıtma amaçlı kullanılabilmektedir. Son olarak farklı tip yakıt hücrelerinde hidrojen, etanol, metanol ve hidrojen gibi farklı yakıtların kullanılabilmesi fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltmaya yardımcı olmaktadır [3]. Sonuç olarak yakıt hücreleri; verimli, ekonomik, sessiz ve çevre ile uyumlu enerji üretiminde kullanılan, gelecek kuşakların çok daha yaygın olarak kullanılacağı tahmin edilen önemli enerji dönüşüm sistemlerinden biridir. Yakıtın kimyasal enerji;

21 2 düşük enerjili, minimum hareketli parçalar içeren ve hava kirliliğine sebep olmayan elektrokimyasal bir prosesle elektrik enerjisine dönüştürülmektedir [4]. Akışkanların akışı, ısı ve kütle transferi, kimyasal reaksiyonlar ve benzeri prosesler birçok mühendislik uygulamalarında sıklıkla görülmektedir. Bu tür proseslerin analitik ve deneysel yöntemlerle analizi birçok durum için çok zor ya da zaman alıcıdır. Bu nedenlerden dolayı sayısal yöntemler özellikle son yıllarda mühendislik uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Yapılan bu çalışmanın amacı, alternatif enerji elde etme yöntemlerinden biri olan PEM yakıt hücresinin, sayısal yöntem ile analiz edilerek hücre performansını etkileyen parametrelerin incelenmesidir. Bu çalışma iki aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk olarak, gaz kanalı genişliğinin ve membran kalınlığının hücre performansına etkisi incelenerek yakıt hücresi geometrik olarak optimize edilmiştir. En iyi performansın elde edildiği hücre boyutları daha sonra yapılan analizlerde kullanılmıştır. Yakıt hücresi geometrik olarak optimize edildikten sonra; anot nemliliği, reaktan gaz giriş sıcaklığı, çalışma basıncı ve reaktan akış yönü çalışma parametrelerinin hücre performansına etkisi incelenerek sonuçlar polarizasyon eğrisi ve grafik üzerinde sunulmuştur. Elde edilen sonuçlar, literatürde bulunan deneysel ve sayısal çalışmalara karşılaştırılarak, oluşturulan sayısal model için doğrulama çalışması yapılmıştır.

22 3 2. YAKIT HÜCRESİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ VE ÇEŞİTLERİ Yakıt hücresi, reaktanların kimyasal enerjisini elektriğe dönüştürerek pil gibi çalışır ancak Şekil 2.1 de gösterildiği gibi yakıt (hidrojen) ve oksitleyici (oksijen) sağlandığı sürece doğru akım (DC) üretecek olması yönüyle pillerden farklılık gösterir [5]. Yakıt hücreleri sürekli sistemler olup, yakıt ve oksitleyici sağlandığı sürece akım üretmeye devam etmektedir. Şekil 2.1. Yakıt hücresi girdi ve çıktıları Yakıt hücresinin sahip olduğu avantajlar şu şekildedir; Verimlilik: Yakıt hücreleri genellikle ısı makinalarına göre daha verimlidir. Bu durum, birleşik ısı ve güç sistemleri için ihtiyaç duyulan küçük yerel güç üretim sistemleri için çok önemlidir [2]. Basitlik: Herhangi bir hareketli parça bulundurmamasıyla yakıt hücresi basit bir yapıya sahiptir. Bu durum son derece güvenilir ve uzun ömürlü sistemler oluşturulmasını sağlamaktadır [2]. Düşük emisyon: Örneğin hidrojen yakıt olarak kullanıldığı zaman yakıt hücresi reaksiyon yan ürünü saf sudur. Bu durumda, bir yakıt hücresi aslında sıfır

23 4 emisyonlu anlamına gelir. Şehir içinde araç emisyonlarını azaltmak bir gereklilik olduğundan, yakıt hücreleri araçlarda kullanıldığında bu noktada avantaj sağlamaktadır [2]. Sessiz çalışma: Yakıt hücreleri çok sessiz çalışır. Bu, hem taşınabilir güç uygulamaları hem de birleşik ısı ve güç tasarımlarında çok önemlidir [2] Yakıt Hücresinin Tarihsel Gelişimi Yakıt hücreleri ilk defa 19. yüzyılın sonunda geliştirilmiştir. İlk pratik yakıt hücreleri Apollo uzay programı için 1960 larda yapılmıştır, günümüzde de hala uzay projelerinde yakıt hücrelerinin kullanımı devam etmektedir yılında Sir William Grove seyreltik sülfirik asit çözeltisine daldırılmış iki platin elektrottan oluşmuş bir sistemde hidrojen ve oksijen üretmeyi başarmıştır. Daha sonraki yıllarda Grove, önceki çalışmasında kullandığı sistemden elli tanesini birleştirerek oluşturduğu bir sistemde daha fazla elektrik akımı üretmeyi başarmıştır [4]. Şekil yılında Sir William Grove tarafından geliştirilen yakıt hücresi [4] Yakıt hücresi terimi ilk olarak 1889 da Ludwing Mond ve Charles Langer tarafından Grove un çalışmaları tekrarlanarak ortaya konmuştur. Mond ve Longer oksijen

24 5 kaynağı olarak havayı, hidrojen kaynağı olarak da endüstriyel kömür gazını kullanarak 1,5 watt güç üreten ve %50 çalışma verimine sahip bir yakıt hücresi geliştirmişlerdir de Wilhwm Oswalt kömür türevli yakıtlar ile çalışan bir elektrokimyasal hücre yapmıştır de Francis T. Bacon ilk başarılı yakıt hücresini geliştirmiştir de Bacon ve arkadaşları 5 kw lık güç üreten bir yakıt hücresi yapmıştır. Aynı yılın sonlarında Harry Karl Ihring 20 beygir gücünde bir yakıt hücresiyle çalışan traktör dizayn etmiştir. Bu buluş günümüzdeki modern yakıt hücresiyle çalışan makinaların başlangıcı olmuştur [4]. Yakıt hücreleri hafif olmaları ve yan ürün olarak su üretmelerinden dolayı uzay uygulamaları için kullanılmaya başlanmıştır. Uzay çalışmalarında yakıt hücrelerinin kullanılması; yüksek verim, düşük gürültü ve titreme, yüksek enerji yoğunluğu gibi avantajlar sağlamaktadır lı yıllarda NASA yakıt hücresi teknolojisine ciddi yatırımlar yapmıştır. İlk olarak Gemini uzay aracında General Electric tarafından üretilen PEM yakıt hücresi kullanılmıştır [4] li yıllarda General Motors Elektrovan adlı yakıt hücresiyle çalışan bir araç geliştirmiştir li yıllarda devlet destekli yakıt hücresi araştırmaları başlamış ve bu amaçla ulusal labaratuvarlar kurulmuştur [4] Yakıt Hücre Çeşitleri Farklı derecelerde geliştirilen yakıt hücrelerini tanımlamak için kullanılan en temel isimlendirme kullanılan elektrolit malzemeye göredir. Örneğin; Katı Oksit Yakıt Hücresi (SOFC), katı seramik oksit elektrolit ve Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücresi (PEMFC), polimer elektrolite sahiptir. Temel isimlendirmeden başka yakıt hücrelerinin sınıflandırması, kullanılan yakıta veya çalışma sıcaklık aralığına göre de yapılabilir (Hidrojen-PEMFC, direk metanol-dmfc). Yakıt hücrelerinin en yaygın türleri için çalışma sıcaklığı, elektrolit malzeme ve muhtemel uygulamaları Çizelge 2.1 de verilmiştir. Her bir yakıt hücre çeşidi belirli uygulamalar için kullanım avantajlarına sahiptir [6].

25 6 Çizelge 2.1. Yakıt hücrelerine ait çalışma sıcaklığı, elektrolit malzeme ve muhtemel uygulamalar [6] Yakıt Hücre Çeşidi Alkali yakıt hücresi (AFC) Fosforik asit yakıt hücresi (PAFC) Katı oksit yakıt hücresi (SOFC) Erimiş karbonat yakıt hücresi (MCFC) Proton değişim membranlı yakıt hücresi (PEMFC) Doğrudan metanol yakıt hücresi (DMFC) Yakıt Tipi H 2 H 2 H 2 H 2,CO, doğalgaz, propan H 2 Sıvı Metanol Uygulama Alanları Uzay araçları için yardımcı güç ünitesi Sabit Güç sistemleri Sabit ve sürekli güç sistemleri Sabit ve sürekli güç sistemleri Taşınabilir, otomotiv ve sabit güç sistemleri Taşınabilir uygulamalar Elektrolit Tipi Potasyum hidroksitin (KOH) sulu çözeltisi Çalışma Sıcaklığı Sıvı fosforik asit Gözeneksiz metal oksit (seramik elektrolit) Erimiş alkali karbonatlarından oluşan elektrolit (Li, Na, K) Katı polimer membran Katı polimer membran Çalışma sıcaklığı da yakıt hücre tipi tarafından belirlenen önemli bir faktördür. Çalışma sıcaklığı açısından yakıt hücrelerini incelersek; düşük, orta ve yüksek sıcaklıkta çalışan yakıt hücreleri olmak üzere üçe ayrılabilir [6]. Düşük sıcaklıklıkta çalışan yakıt hücreleri Alkali Yakıt Hücresi (AFC) ve Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücresi (PEMFC) dir. Düşük sıcaklıklı yakıt hücreleri (yaklaşık C) daha iyi çalışma verimliliği ve daha hızlı başlangıç gösterir, ancak çalışma ortamı ile çalışma sıcaklığı arasındaki küçük fark nedeniyle atık ısı ortadan kaldırmak için daha büyük bir ısı değiştirici gerektirmektedir. Yüksek sıcaklık ( C) gerektiren yakıt hücreleri ile karşılaştırıldığında, düşük sıcaklıkta yakıt hücreleri daha pahalı katalizör maddeler gerektirmektedir [6]. Buna karşılık, yüksek sıcaklıklarda çalışan yakıt pillerinin bazı avantajları; daha fazla yakıt esnekliği, yakıt hücresi içindeki karbon monoksit seviyeleri genel toleransı,

26 7 daha az pahalı katalizör malzemeler kullanılması ve atık ısının kolay atılmasıdır. Yüksek sıcaklıkta çalışan yakıt hücreleri için uzun bir başlangıç zamanı ve düzgün çalışması için 600 C üzerinde tutarlı çalışma sıcaklığı gereklidir. Buna ek olarak, yüksek sıcaklıkta yakıt hücrelerinin bileşenleri yüksek erime noktasına sahip olmalı ve yüksek sıcaklıklarda termal döngüye dayanabilmesi gerekmektedir. Yüksek sıcaklıkta çalışan yakıt hücrelerinde; malzeme (katalizör) maliyeti yüksektir. Ancak atık ısı kalitelidir ve kolaylıkla uzaklaşma gibi avantajları vardır [6]. Orta sıcaklıkta çalışan yakıt hücreleri hem de yüksek ve düşük sıcaklık sınıflandırmaların bazı avantajlarına sahiptir. Günümüzde PEM Yakıt Hücresi için araştırma hedefi, ısının sistemden uzaklaştırılması ve su yönetimini geliştirmek için operasyon sıcaklığını (>120 ) arttırmakken, yaygın Katı Oksit Yakıt Hücresi (SOFC) için araştırma hedefi, başlangıç süresi, maliyet ve dayanıklılığı geliştirmek için daha düşük çalışma sıcaklığıdır (<600 ) [6]. Yakıt hücreleri çalışma sıcaklıklarına, uygulama alanlarına, kullandığı elektrolit türlerine göre olmak üzere birkaç şekilde sınıflandırılabilirler. Kullanılan elektrolit çeşitlerine sınıflandırılan yakıt hücreleri aşağıda verilmiştir. PEM yakıt hücresi Bölüm 3 te ayrıntılı anlatıldığından bu bölümde yer almamıştır Alkali yakıt hücresi (AFC) Alkali yakıt hücreleri 1960 lardan beri uzay programlarında (Apollo ve uzay mekiği) kullanılmaktadır. Bu yakıt hücreleri, elektrolit olarak potasyum hidroksitin (KOH) sulu çözeltisini kullanırlar. Alkali hücrelerinin çalışma sıcaklığı 150 ile 200 civarındadır. Çalışma prensibi ve kimyasal tepkimeleri Şekil 2.3 te verilmiştir [7,8].

27 8 Şekil 2.3. Alkali yakıt hücresinin çalışma prensibi ve kimyasal tepkimeleri [8] Bu hücrelerde, hidroksil iyonları (OH - ) katottan anoda geçmektedir. Anotta, hidrojen gazı, su üretmek ve elektronları serbest bırakmak için hidroksil iyonları (OH - ) ile reaksiyona girmektedir. Anotta üretilen elektronlar dış devreye elektrik gücü sağladıktan sonra katoda dönmektedir. Burada elektronlar daha fazla hidroksil iyonları üretmek için oksijen ve su ile reaksiyona girer [7,8]. Alkali yakıt hücreleri %70 verim değerlerine kadar çalışırlar, diğer yakıt hücreleri gibi, düşük kirlilik oluştururlar. Elektrik enerjisinin yanı sıra içme suyu ürettiğinden uzay aracı için mantıklı bir seçim oluşturmaktadır. Önemli bir dezavantajı ise, alkali hücreleri çok saf hidrojen ihtiyaç duyarlar ve istenmeyen bir kimyasal reaksiyon hücre içindeki kimyasal reaksiyonları engelleyen katı bir karbonat oluşturmaktadır [7,8].

28 Fosforik asit yakıt hücresi (PAFC) Fosforik asit yakıt hücreleri (PAFC) elektrolit olarak sıvı fosforik asit kullanmaktadır. Asit tutmak için kullanılan matris genellikle Silisyum Karbür (SiC) dür ve anot ile katotta elektro-katalizör platindir. Çalışma sıcaklıkları genellikle ºC arasındadır. Fosforik asit yakıt hücreleri, sabit elektrik üretimi için (200 kw) piyasada mevcuttur. Çalışma prensibi ve kimyasal tepkimeleri Şekil 2.4 te verilmiştir [7,8]. Şekil 2.4. Fosforik asit yakıt hücresinin çalışma prensibi ve kimyasal tepkimeleri[8] Şekilde görüldüğü gibi pozitif yüklü hidrojen iyonları elektrolit üzerinden anottan katoda doğru geçmektedir. Anotta oluşan elektronlar bir dış devre üzerinden, yol boyunca elektriksel güç sağlayarak, hareket etmekte ve daha sonra katoda dönmektedir. Burada elektronlar, hidrojen iyonları ve oksijen, daha sonra hücreden uzaklaştırılacak olan suyu oluşturur. Elektrotlardaki platin katalizör reaksiyonu hızlandırır [8].

29 Katı oksit yakıt hücresi (SOFC) Katı oksit yakıt hücreleri (SOFC) sıvı bir elektrolit yerine bir katı, gözeneksiz metal oksit (seramik elektrolit) kullanmaktadır. Bu hücreler oksijen iyonları tarafından iyonik iletim gerçekleştiği yerlerde C ta çalışırlar. Daha küçük üniteler, otomobillerde taşınabilir güç ve yardımcı güç için geliştiriliyor olsa da, bu yakıt hücreleri, sabit güç üretimi için deneme aşamasındadır. Katı oksit yakıt hücrelerinin çalışma prensibi ve kimyasal tepkimeleri Şekil 2.5 te verilmiştir. Yüksek çalışma sıcaklığında, oksijen iyonları kristal ağ içinden geçerler. Hidrojen içeren gaz yakıt anot üzerinden geçirildiği zaman, negatif yüklü bir oksijen iyonları yakıtı oksitlemek üzere elektrolit üzerinden hareket eder. Oksijen katoda genellikle havadan sağlanır. Anotta üretilen elektronlar, dış bir yük üzerinden, yol boyunca bir elektriksel güç üretecek şekilde devreyi tamamlarlar [8]. Şekil 2.5. Katı oksit yakıt hücresinin çalışma prensibi ve kimyasal tepkimeleri[8] Katı oksit hücresi, yüksek çalışma sıcaklığı gerektirmektedir ve en yaygın uygulamaları, sabit enerji santrallerinde bulunmaktadır. Çalışma verimleri %60 lara

30 11 kadar ulaşabilmektedir. Sistemden atılan ısının yakalanıp iyileştirilmenin tasarlandığı uygulamalarda, ortalama yakıt kullanımı verimleri %80-85 e çıkabilmektedir [8] Erimiş karbonat yakıt hücresi (MCFC) Erimiş Karbonat Yakıt hücresi; lityum, sodyum ve potasyum (Li, Na, K) alkali karbonatların birleşiminden oluşan elektrota sahiptir. Çalışma sıcaklığı olan 600 ve 700 C arasında, karbonat iyonları iyonik iletkenlik sağlayarak son derece iletken erimiş tuz oluşturur. Böyle yüksek çalışma sıcaklıklarında, soy metal katalizörler genellikle gerekli değildir. Yüksek çalışma sıcaklıkları bir yakıt dönüştürücü kullanmadan doğal gaz kullanmasına izin vermektedir [8]. Eriyik Karbonat Yakıt Hücresinin çalışma prensibi ve kimyasal tepkimeleri Şekil 2.6 da verilmiştir. Şekil 2.6. Eriyik karbonat yakıt hücresinin çalışma prensibi ve kimyasal tepkimeleri[8] Yüksek sıcaklıkta (650ºC) karbonat tuzları erir ve karbonat iyonlarının taşınmasını sağlar. Şekilde görüldüğü gibi karbonat iyonları katottan anoda hareket eder. Anot tarafında karbonat iyonları su, karbondioksit ve elektronları üretmek için hidrojen ile

31 12 birleşir. Bu elektronlar anottan yükün üzerine takıldığı bir dış devre tarafından katot tarafına hareket eder. Böylece, elektrik ve ısı elde edilir. Eriyik Karbonat Yakıt Hücreleri, yüksek çalışma sıcaklıklarına sahiptir ve düşük sıcaklıkta çalışan yakıt hücreleri ile karşılaştırıldığında bu özellik avantaj ve dezavantajları beraberinde getirmektedir [8]. Eriyik Karbonat Yakıt Hücresinin önemli bir avantajı, diğer yakıt hücrelerinde gerek duyulan harici yakıt işlemcisine ihtiyaç duyulmamasıdır. Çünkü yüksek sıcaklıkta, hidrojen yakıttan ayrışmaktadır. Bu ise yakıt hazırlama sürecini ve maliyetleri olumlu yönde etkilemektedir. Örneğin, yüksek çalışma sıcaklığı doğrudan doğal gaz kullanımını mümkün kılmakla birlikte bir yakıt dönüştürücüye ihtiyaç duyulmamaktadır. Çünkü yüksek sıcaklıkta bu işlem yakıt hücresi içinde yapılmaktadır. Bu durum maliyeti azaltan bir etkendir. En önemli dezavantajları ise dayanıksızlıktır. Yüksek sıcaklıkta çalışıyor olması korozif elektrolitleri nedeni ile performans düşüşü, korozyon oluşumu yakıt hücre ömrünü azaltmaktadır [7,8] Doğrudan metanol yakıt hücresi (DMFC) Doğrudan Metanol Yakıt Hücresi (DMFC), proton değişim membranlı yakıt hücresinde (PEMFC) olduğu gibi bir polimer elektrolite sahiptir ve yük taşıyıcı hidrojen iyonudur. Ancak anot ve katot reaksiyonları farklıdır. Çalışma prensibi olarak PEM yakıt hücresine benzerlik gösteren Doğrudan Metanol Yakıt Hücrelerinde, sıvı yakıt kullanılmakta olup PEM Yakıt Hücresinden temel farklılığı, dönüştürücü gerektirmeksizin metanolün yakıt olarak kullanılabilmesidir. Doğrudan Metanol Yakıt Hücrelerinde sıvı metanol (CH 3 OH), anotta su ile oksitlenir ve ürün olarak CO 2, hidrojen iyonu ve dış devre yoluyla taşınan elektronlar üretilir. Elektrolit üzerinden taşınan hidrojen iyonları, havadan sağlanan oksijen ve devreyi tamamlayan elektronlar katot tarafında reaksiyona girerek suyu oluşturur. Doğrudan Metanol Yakıt Hücreleri (DMFC) teknolojisi cep telefonları ve dizüstü bilgisayarlar gibi taşınabilir uygulamalar için kullanılabilmektedir.

32 13 Doğrudan Metanol Yakıt Hücreleri yaklaşık 50 ºC-120 ºC sıcaklık aralığında çalışırlar. Bu düşük çalışma sıcaklığı ve herhangi bir yakıt dönüştürücü şartı olmaksızın metanolun doğrudan kullanılması, bu yakıt hücresinin cep telefonları gibi taşınabilir uygulamalarda ve aynı zamanda küçük ölçekli uygulamalar için kullanılmasını sağlamaktadır [7,8].

33 14 3. PEM YAKIT HÜCRESİ 3.1. PEM Yakıt Hücresi Tarihsel Gelişimi PEM teknolojisi General Electric tarafından 1960 lı yıllarda geliştirildi ve daha sonra ABD nin Gemini ve Apollo programlarında uzay uygulamaları için kullanılmıştır. Ticarileştirilmesi açısından yeni bir teknoloji olmaya devam etmekle beraber, o zamandan beri yakıt hücreleri giderek karasal uygulamalar için kullanılır duruma gelmiştir. Bazı temel engellerin üstesinden gelindiğinden, yakıt hücreleri giderek gelişmiş ve ticarileşmiştir böylece çeşitli uygulamalar için daha uygun hale gelmiştir [3] yılında, Ballard Power Systems yakıt hücresiyle çalışan otobüs geliştirmiştir. Sonra tüm büyük otomotiv üreticileri, 2000 lerin başlarında Amerika Birleşik Devletleri, Japonya ve Avrupa da testleri yapılan, yakıt hücreli araçları geliştirmiştir. Sabit güç sistemi uygulamaları hastanelerde, ofis binalarında ve enerji santrallerinde kurulmuştur yılında Samsung Electronics, yaklaşık 15 saat bir dizüstü bilgisayarı çalıştırabilen taşınabilir güç uygulamaları için yakıt hücresi prototipini üretmiştir. Bu gelişmelerle birlikte yakıt hücrelerinin ticarileştirilmesi engelleyen birçok sorun var olmaya devam etmektedir. En önemli sorunlar, çalışma güvenilirliği ve maliyetidir. Şu anda, bir PEM yakıt hücresi toplam maliyeti yaklaşık $/kw dır. Yakıt hücrelerinin yaygınlaşmasını ve ticarileşmesini engelleyen maliyet azaltma çalışmaları devam etmektedir [3,32]. Örneğin; bir araç yakıt hücre sistemi kullanılarak yapıldığı zaman aracın toplam maliyeti, içten yanmalı motora sahip geleneksel bir arabanın yaklaşık on katıdır. Bunlar arasında, platin içeren elektrot ve akım toplayıcı plaka maliyetleri PEM yakıt hücresinin toplam maliyetinin yaklaşık % 80 ini oluşturmaktadır. Maliyeti azaltmak için, yakıt hücresinin bileşenleri daha verimli ve ekonomik hale getirilmelidir [29]. Temel olarak, yakıt hücreleri geleneksel elektrik santrallerine entegre edilebilen veya güç jeneratörleri gibi elektrik sağlayan yenilikçi bir sistem olarak düşünülmektedir.

34 15 Ancak, endüstriyel ve sosyal yapının gelişimine göre, yakıt hücrelerinin farklı uygulamaları doğmuştur. Belirli alanlar için geçerli özellikleri ile birçok yakıt hücresi çeşidi söz konusu iken, PEM Yakıt Hücresi, enerji verimliliği açısından en umut verici sistemdir [29]. PEM Yakıt Hücresi sistemi için ulaştırma, sabit ve taşınabilir uygulamalar gibi üç ana uygulama alanı vardır. PEM Yakıt Hücrelerinin geliştirilmesi sosyal ve endüstriyel çevrenin yanı sıra enerji arz ve talebi ile bağlantılıdır [29]. PEM Yakıt Hücresinin birçok uygulaması arasında ulaştırma, en rekabetçi ve umut vericidir. Ayrıca, insanlar kolayca çevre dostu araçların geliştirilmesi yoluyla bu umut verici alternatif teknolojinin potansiyelini görmektedir. Bu nedenle, ABD ve Japonya yakıt hücreli araba uygulama alanı üzerinde yoğunlaşırken, AB dikkati yakıt hücreli otobüs ve trenlere yöneltmiştir. Öte yandan, Japonya da yerleşim yeri güç uygulamaları ve Çin de yakıt hücreli bisiklet ve araba uygulamaları yapılmıştır [29]. Bir yakıt hücreli araç geliştirilmesi, uygun bir enerji yönetim sistemi, bir yakıt hücresi sistemi ve elektrik enerjisi depolama aygıtının entegrasyonunu gerektirmektedir. Gelecekteki ulaşım ihtiyaçlarını karşılamak için, dünyanın en büyük otomobil üreticileri kendi yakıt hücreli araç prototiplerini geliştirmek için çalışmaktadır [29]. PEM Yakıt hücre sisteminin bir cep telefonu veya taşınabilir güç kaynağı olarak geleceğin teknolojisi olacak potansiyele sahip olduğu bilinmektedir [31]. Ancak, pazarda geleneksel piller ile PEM yakıt hücresinin rekabeti ile ilgili birkaç olumsuz görüş vardır. Birincisi taşınabilir uygulamalar için sıvılaştırılmış yakıt olarak kullanılan hidrojenin güvenli bir şekilde sağlanmasının zorluğudur. Sıkıştırılmış hidrojenin taşınabilir uygulamalar için uygun bir çözüm olduğuna inanılıyor ancak düşük hacimsel enerji yoğunluğu ve depolamak için yeterli alanın olmaması nedenleriyle taşınabilir cihazlar için uygun değildir. Bu nedenle, taşınabilir uygulamalarda sıvı ya da katı yakıt kullanımının çözüm olduğuna inanılmaktadır.

35 16 Ancak, sıvı veya katı yakıtlar genellikle sistemleri daha karmaşık hale getiren bir yakıt değişikliği süreci gerektirmektedir [29,31] PEM Yakıt Hücresi Çalışma Prensibi PEM Yakıt Hücresinin temelinde kendine özgü bazı özellikleri olan polimer membran vardır. Polimer membran, gazlara karşı geçirgen olmayıp protonları iletmektedir. Dolayısıyla PEM Yakıt Hücresi, proton değişim membran ismini buradan almaktadır. Elektrolit olarak davranan membran; iki gözenekli, elektriksel olarak iletken elektrotlar arasında yerleştirilmiştir. Bu elektrotlar genellikle karbon fiber kağıt ya da karbon bezden yapılmaktadır. Gözenekli elektrot ve polimer membran arasındaki ara yüzde katalizör olarak, genellikle platin bir katman vardır [5]. PEM Yakıt Hücresinin temel yapısı ve çalışma prensipleri diyagram olarak Şekil 3.1 de verilmiştir. Şekil 3.1. PEM Yakıt Hücresinin çalışma prensibinin şematik gösterimi

36 17 Şekil 3.1 de görüldüğü gibi PEM yakıt hücresinde, elektrokimyasal reaksiyonlar elektrot ve membran arasındaki ara yüzde, yani katalizör yüzeyde meydana gelmektedir. Membranın anot tarafından beslenen hidrojen, anot katalizör yüzeyinde kendi birincil bileşenleri proton ve elektronlara ayrılır. Her hidrojen atomu, bir elektron ve bir protondan oluşmaktadır. Elektronlar; elektrik iletken elektrotlar, akım toplayıcı plakalar ve faydalı işe dönüştüğü dış devre aracılığıyla membranın katot tarafına dönerken, protonlar membran aracılığıyla taşınmaktadır. Katot elektrodu ve membran arasındaki katalizör yüzeyde; dış devre aracılığıyla elektronlar, membran aracılığıyla taşınan hidrojen iyonları ve katot tarafından beslenen oksijen ile karşılaşarak kimyasal reaksiyona girmektedir. Eş. 3.1 ve Eş. 3.2 sırasıyla anot ve katot katalizör tabakasında meydana gelen kimyasal reaksiyonları göstermektedir [5,9]. H 2 2H 2e (3.1) 1 2 O 2 2H 2e H 2 O (3.2) Gerçekleşen kimyasal reaksiyonda su oluşurken, katot tarafından beslenen hava akışıyla hücre dışına atılmaktadır. Bu reaksiyonların net sonucu dış devre aracılığıyla elektron akımıdır [5]. Bir yakıt hücresinin en küçük yapı taşı membran eloktrot birlikteliği (MEA) olup iki elektrot (anot ve katot) ve polimer elektrolitten (membran) oluşur. Hem anot hem de katot elektrodu gaz difüzyon tabakası, katalizör tabakası ve gaz kanalından oluşmaktadır. Anot tarafındaki gaz difüzyon tabakası hidrojenin, elektrot içindeki reaksiyon bölgesine ulaşmasını sağlamaktadır. Gerçekleşen elektrokimyasal reaksiyon sonucu oluşan protonlar, iyonik iletken membran aracılığıyla ve elektronlar ise dış devre aracılığıyla iletilir. O nedenle anot bileşenleri elektrik iletkenliğinin yanı sıra gaz geçirgenliğine sahip olmalıdır.

37 18 Reaktanlar tarafından sağlanan kimyasal enerjinin tamamı elektrik enerjisine dönüşmediğinden MEA içerisinde bir yerde ısı da üretilmektedir. Bu nedenle gaz difüzyon tabakası reaksiyon bölgesinden ısıyı uzaklaştırmak için ısı iletkeni gibi davranmaktadır [9]. Katotta fonksiyonlar daha karmaşıktır. Katot tarafındaki gaz difüzyon tabakası havanın, elektrot içindeki reaksiyon bölgesine ulaşmasını sağlamaktadır. Katot katalizör tabakasında Eş. 3.2 ye göre su oluşmaktadır. Bu su elektrot tabakasından sıvı formunda ayrılırken, oluşan suyun gözenekleri kapatma riski vardır [9]. Membrandaki proton taşıma işlemi mebrandaki su aracılığıyla sağlandığından membran iyi nemlendirilmeyi gerektirir. Bununla birlikte anottan katoda proton taşınmasıyla ilgili olarak ek su akışı meydana gelir. Bu durum membran-anot ara yüzünde su tükenmesine yol açacağından, nem genellikle anot gaz reaktanının ön nemlendirmesiyle sağlanır [9] PEM Yakıt Hücresinin Parçaları Polimer elektrolit membran İşlevi elektronları iterken protonları geçirmek olan polimer elektrolit membran (PEM), yakıt hücresinin en kritik parçasıdır. Bir PEM yakıt hücresinde membran; yüksek proton iletkenliğe, anot ve katot arasındaki yakıt çapraz geçişini engelleyen özellikle birlikte yüksek kimyasal ve ısıl kararlılığa sahip olmalıdır. En sık kullanılan ve araştırılan membran malzemesi Dupont tarafından üretilen Nafion dur. Nafion ve diğer birçok polimer elektrolitte proton iletkenliği, su aktivitesiyle artar ve bu gelen gaz reaktanlarının nemlendirilmesinin ana nedenidir. Yeterli miktarda su, iyonize etmek üzere membran içine emilir, aşırı su yakıt hücresinin kotot tarafında hücre performansını ve güç çıkışını sınırlar. Bu nedenle, yakıt hücresi içindeki su yönetimi PEM yakıt hücresi operasyonu için kritiktir [10].

38 Katalizör tabakası Normalde, bir PEM yakıt hücresinde elektro-kimyasal reaksiyonlar, özellikle katot tarafında, düşük sıcaklıkta yavaşça gerçekleşir. Bu reaksiyonları hızlandırmak için, membranın her bir elektrot tarafı ince bir katalizör tabaka ile kaplanır. Katalizör tabakası, genellikle mikro ölçekte platin (Pt) katalizörle desteklenmiş, genel anlamda iyonomer bir matris içine gömülü karbon parçacıklardan oluşur [10]. İyonomer mikro yapı ve iyonomer katalizör tabaka ara yüzü bir yakıt pilinin performansı için önemli faktörler olup, yakıt hücresi reaksiyonunun gerçekleşmesini sağlayan membran boyunca iyon değişimi belirlemektedir. Hemen hemen reaksiyonların hepsi 10 μm kalınlığında tabaka içinde gerçekleştiğinden, katalizör tabakasının optimum kalınlığı yaklaşık 10 μm olduğu bulunmuştur. Diğer taraftan, elektro-kimyasal reaksiyon, katalizör tabakası üzerine eşit oranda dağılmış değildir; bu nedenle, Pt parçacıklar reaksiyon verimini maksimize etmek ve maliyeti en aza indirmek için katalizör tabakası üzerine düzgün bir şekilde dağıtılmış olması gerekir [10] Gaz difüzyon tabakası Gaz difüzyon tabakaları (GDL), 200 ve 300 μm arasındaki kalınlıklarda karbon kumaş veya karbon fiber kağıt benzeri gözenekli malzemeden oluşur. Gaz difüzyon tabakaları, katalizör tabakasına yapısal destek olmakla birlikte reaktan gazlarını reaksiyon bölgelerine taşınmasını ve elektron transferine bir ara yüz sağlamaktadır. Ayrıca gaz difüzyon tabakaları (GDL), reaksiyon bölgesinden ısının uzaklaştırılmasında ve hücrenin su yönetiminde önemli rol oynamaktadır. Gaz difüzyon tabakası GDL olmasaydı membran, gaz kanalındaki akış tarafından kurutulurdu ve membranın proton iletkenliği azalırdı. Gaz difüzyon tabakası ve katalizör tabakası birlikte, genellikle gözenekli destek tabaka olarak adlandırılır. Ayrıca polimer elektrolit membran, gaz difüzyon tabakaları ve katalizör tabakaları birlikte membran elektrot düzeneği (MEA) olarak adlandırılır [10].

39 Bipolar tabaka (akım toplayıcı plaka) Bipolar plakasının önemli görevleri, reaktan gazlarını gaz difüzyon tabakasına doğru beslemek ve her bir hücreyi hücre yığını içine birleştirmektir. Gaz akış kanalları reaktan gazlara akış yolları sağlamak için akım toplayıcı plakaların içine yerleşmiştir ve uygulamada; düz, serpantin veya birleştirilmiş akış alanları yaygın kullanılan tasarımlardır [10]. Kanal alanı (channel area) ve kenar alanı (land area) herhangi bir akış alanı için önemlidir. Kanal alanı yeterli reaktan gazlarını sağlamak, hücre ağırlık ve hacim gereksinimleri azaltmak için mümkün olduğunca büyük olmalıdır. Öte yandan, daha büyük kenar alanı, akım toplayıcı plakalar ve GDL arasında daha iyi bir elektrik bağlantısı sağlarken temas direnci ve ohmik kayıplar azalır. Mümkün olan en iyi hücre performansını elde etmek için yukarıdaki iki faktör arasında mantıklı bir uzlaşma aranmalıdır [10]. Akım toplayıcı plaka üretiminde en çok kullanılan malzeme yüksek elektrik iletkenliği, yüksek ısıl iletkenlik, düşük korozyon oranı ve hafifliği gibi olumlu özellikleri olan grafittir. Bununla birlikte, grafit içine akış yollarının işlenmesi pahalıdır. Grafitten başka, metal alaşımlar ve karbon kompozitler de akım toplayıcı plakalar üretmek için yaygın kullanılan malzemelerdir [10]. PEM yakıt hücrelerinin her bir tabakası ile ilgili fonksiyonlar ve taşıma olayları Çizelge 3.1 de verilmiştir.

40 21 Çizelge 3.1. PEM yakıt hücrelerinin tabakalarına ait fonksiyonlar ve taşıma olayları [10] Tabaka Bipolar Tabaka (Akım Toplayıcı Plaka) Gaz Difüzyon Tabakası (GDL) Katalizör Tabakası Membran Fonksiyonları&Taşıma Olayı Gaz akışını yönlendirme Yığını oluşturmak için yapısal destek sağlama Elektron taşıma Sıvı su taşıma Isı transferi Gaz reaktanların gözenekli ortamda akışı Su buharlaşma ve yoğunlaşma Sıvı su gözenekli ortam akışı Elektron taşıma Isı transferi Elektrokimyasal reaksiyonlar Gaz reaktanların gözenekli ortamda akışı Su buharlaşma ve yoğunlaşma Sıvı su gözenekli ortam akışı Membran (çözünmüş) su taşıma Membran su emilimi Elektron taşıma Isı transferi Elektronlara karşı iletken olmama Gaz reaktanları geçirmeme Membran (çözünmüş) su taşıma Proton taşıma

41 22 4. TEORİK YAKIT HÜCRE POTANSİYELİ, ENERJİ VE VERİMLİLİK 4.1. Temel Denklemler ve Yakıt Hücre Termodinamiği Yakıt hücresinde elektro-kimyasal reaksiyonlar membranın her iki tarafında, anot ve katot katalizör tabakalarında gerçekleşir. Yakıt hücresinde gerçekleşen reaksiyonlar; Anotta: H 2 2H 2e - (4.1) Katotta: 1 2 2H 2e - H 2 O (4.2) Toplam: H 2 H 2 O (4.3) Genel hücre reaksiyonu (Eş. 4.3), hidrojenin yanma reaksiyonu ile tamamen aynıdır. Yanma ekzotermik bir süreçtir, dolayısıyla bu süreç içinde enerji açığa çıkmaktadır [5]. H 2 H 2 O ısı (4.4) Bir kimyasal reaksiyonun ısısı (entalpi), ürünlerin ve reaktanların oluşum ısısı arasındaki farktır. Sıvı su üreten hidrojen/oksijen yakıt hücreleri için reaksiyon entalpisi ΔH = -286 kj mol -1 (25 C de). Bu aynı zamanda hidrojen üst ısıl değeri yani hidrojenin yanması sonucu üretilen enerji miktarı olarak tanımlanır. Bir yakıt hücresinde entalpinin tamamı faydalı işe yani elektrik enerjisine dönüşmez. Elektriğe dönüştürülebilir tepkime entalpisi kısmı aşağıda verilen Gibbs serbest enerjisine karşılık gelir [5]. G H T S (4.5)

42 23 Diğer bir deyişle, entropi ( S) oluşumu nedeniyle enerji dönüşümünde bazı geri dönüşü olmayan kayıplar vardır. 25 C deki ve değerleri Çizelge 4.1 de verilmiştir. Çizelge 4.1. Hidrojen oksitlenme reaksiyonu için entalpi, entropi ve Gibbs serbest enerjisi (25 de ) Oksitlenme reaksiyonu H(kJ mol -1 ) S(kJ mol -1 K -1 ) G (kj mol -1 ) -286,02-0, ,34-241,98-0, ,74 Yakıt hücresi, teorik ya da tersinir potansiyeli : E r G nf (4.6) E r 237,34 Jmol ,485 A s mol 1 1,23 V Yakıt hücre reaksiyonunda (Eş. 4.6) yer alan elektron sayısı n, her hidrojen molekülü için 2 dir. F, Faraday sabitini göstermektedir., n ve F sayısal değerleri ile teorik yakıt hücresi potansiyeli 1,23 V dur (25 C de) [5] Sıcaklığın hücre potansiyeline etkisi Hem H, hem de S sıcaklığa bağlı olduğundan G de sıcaklığa bağlıdır ve dolayısıyla teorik hücre gerilimi de sıcaklığa bağlıdır. Tipik bir Hidrojen/oksijen yakıt hücresi çalışma sıcaklığında (60-80 C) teorik olarak hücre potansiyeli 1,20-1,18 V arasındadır [5]. Çizelge 4.2 de farklı sıcaklıklardaki (hidrojen/oksijen) yakıt hücresi reaksiyonunun entalpi, Gibbs serbest enerjisi ve entropi değerleri verilmiştir. Burada görüldüğü gibi, teorik yakıt hücresi potansiyeli sıcaklıkla azalmaktadır.

43 24 Çizelge 4.2. Hidrojen/oksijen yakıt hücresi reaksiyonlarının entalpi, gibbs serbest enerji ve entropi değerleri, teorik hücre potansiyeli [5] T (K) H (kj mol -1 ) G (kj mol -1 ) S (kj mol -1 K -1 ) 298,15-286,02-237,34-0, ,23 333,15-284,85-231,63-0,1598 1,2 353,15-284,18-228,42-0,1579 1, ,15-283,52-225,24-0,1562 1,167 E r V Basıncın hücre potansiyeline etkisi Yukarıda verilen denklemlerin hepsi atmosferik basınçta geçerlidir. Ancak, bir yakıt hücresi genellikle bir atmosfer basınçtan 6-7 bara kadar herhangi bir basınçta çalışabilir. Bu durumda teorik olarak hücre potansiyeli, Nernst denklemine göre yüksek basınçta daha fazla olacaktır ve aşağıdaki denklem ile ifade edilebilir [5]. E r =E RT ln P 0.5 H 2 P O2 0 nf P H2 O (4.7) Burada; P, reaktanların ve ürünlerin kısmi basıncını, ise atmosferik basınçtaki hücre potansiyelini göstermektedir. Yukarıdaki denklem sadece gaz formdaki ürünler ve reaktanlar için geçerli olduğu unutulmamalıdır. Hücrede sıvı su üretildiği zaman P H2 O=1 dir. Yüksek reaktan basıncında, reaktanların kısmi basıncı artmakta bu nedenle Eş 4.7 de verilen Nernst denklemine göre hücre potansiyeli daha da artmaktadır. Eğer reaktanlar seyreltilirse, örneğin saf oksijen yerine hava kullanılırsa, kısmi basınçları konsantrasyonlarıyla orantılıdır ve sonuç olarak hücre potansiyeli düşer [5]. Çizelge 4.3 farklı sıcaklık ve basınçlardaki teorik hücre potansiyelini göstermektedir. Bu tabloda görüldüğü gibi basınç arttıkça hücre potansiyeli artmaktadır.

44 25 Çizelge 4.3. Farklı sıcaklık ve basınçlardaki teorik hücre potansiyeli [5] T (K) Atm. 200 kpa 300 kpa 298,15 1,230 1,243 1, ,15 1,200 1,215 1, ,15 1,184 1,200 1, Teorik hücre verimliliği Herhangi bir enerji dönüşüm cihazının verimliliği, faydalı enerji çıkışı ve enerji girişi arasındaki oran olarak tanımlanır. Yakıt hücresinde, faydalı enerji çıkışı, üretilen elektrik enerjisi ve enerji girdisi ise hidrojen üst ısıl değeridir. Gibbs serbest enerjisinin tamamının elektrik enerjisine dönüştüğünü varsayarsak, mümkün olan bir yakıt hücresi teorik (25 C de) verimliliği elde edilir; t G H 237,34 286,02 83% (4.8) Hidrojen alt ısıl değeri, yakıt hücresi verimliliğini ifade etmek kullanıldığında, hücre teorik verimliliği (25 C, 1 atm) şu şekilde olmaktadır; t G 228,74 H LHV 241,98 94,5% (4.9) Gerçek yakıt hücre potansiyeli ve verimliliği Gerçek yakıt hücre potansiyeli ve gerçek verimlilik, reaktanların ve ürünlerin kinetiği ve dinamikleri ile ilgili çeşitli kayıplar nedeniyle teorik değerlerden daha düşüktür. Hücre gerçek potansiyeli şöyle ifade edilebilir: V cell =E r V loss (4.10)

45 26 Burada, açıklanmaktadır. V loss çeşitli nedenlerden dolayı oluşan gerilim kayıplarıdır ve aşağıda 4.2. Gerilim Kayıpları Yakıt hücresi reaktan gazlar ile beslendiğinde, ancak elektrik devresi kapalı değil ise, herhangi bir akım üretilmez ve hücre potansiyelinin, verilen şartlarda (sıcaklık, basınç ve reaktanların konsantrasyonu) teorik hücre potansiyeline eşit olması beklenir. Ancak, uygulamada açık devre potansiyeli denilen bu potansiyel, önemli ölçüde teorik potansiyelden daha düşüktür, genellikle 1 V dan azdır. Bu, hiçbir dış akım üretilmediğinde bile yakıt hücresinde bazı kayıplar olduğunu göstermektedir. Bir elektrik devresi yük (bir direnç gibi) ile kapatıldığında, kaçınılmaz kayıplar nedeniyle, potansiyelin üretilen akımın bir fonksiyonu olarak daha da düşmesi beklenir [5]. Bu kayıpların en önemlileri aktivasyon kaybı, direnç (ohmik) kaybı, konsantrasyon (kütle transferi) ve yakıt sızıntısı kaybıdır. Bu kayıplar farklı çalışma koşullarında, özellikle sistemden çekilen akım değerlerine göre farklı etki göstermektedir. Yakıt hücrelerinde bu kayıpların etkisini dikkate alarak akım ile gerilim arasındaki değişimi gösteren grafiğe polarizasyon eğrisi denir. Elektrokimyasal aktivasyon (reaksiyonların kinetiği), elektrik ve iyonik direnç, reaksiyon bölgesinde konsantrasyon azalması, reaktanların çapraz geçişi gibi çeşitli faktörlerin neden olduğu yakıt hücresi voltaj kayıpları aşağıda açıklanmaktadır Aktivasyon kayıpları Aktivasyon kaybı yakıt hücresinde gerçekleşen reaksiyonlarda, kimyasal bağları koparmak için harcanan enerji kaybıdır. Özellikle düşük akım yoğunluklarında, yakıt hücrelerinde çok büyük kayıp etkisi oluşturmaktadır. Anot ve katotta ayrı ayrı aktivasyon kayıpları vardır. Anottaki aktivasyon kaybı katottakine göre ihmal edilebilir. Aktivasyon kaybını azaltmak için yakıt hücresini yüksek sıcaklıkta

46 27 çalıştırmak ve reaksiyonun gerçekleştiği katalizörün aktif yüzey alanını artırmak gerekir [5]. Aşırı-potansiyel (elektrot potansiyeli ve denge potansiyeli arasındaki fark) denilen gerilim farkı, elektrokimyasal reaksiyonun başlaması için gereklidir. Akım yoğunluğu ve bu gerilim farkı arasındaki ilişki herhangi bir elektrot için Butler- Volmer denklemi ile verilir [5]. (4.11) Burada elektrodun aktifliğini belirleyen iki faktör transfer katsayısı ( ) ve değişim akım yoğunluğudur (i 0 ). Eş 4.11 deki transfer katsayısı ( ) elektrottaki ileri-geri reaksiyonlar (yani indirgenme ve yükseltgenme) için katsayılardır [5]. Eş 4.11 de verildiği gibi, E r hücrenin tersinir ya da denge potansiyelidir. Anottaki tersinir ya da denge potansiyeli sıfırdır. Katottaki tersinir potansiyel ise 1,23 V dur. (25 C ve atmosferik basınçta) tersinir potansiyel sıcaklık ve basınçla değişir [5]. Elektrokimyasal denklemlerdeki değişim akım yoğunluğu (i 0 ) ise, kimyasal denklemlerdeki hız sabitine benzerdir. Hız sabitlerinin aksine, değişim akım yoğunluğu, konsantrasyona bağlı ve aynı zamanda sıcaklığın fonksiyonudur. Değişim akım yoğunluğu, elektrot katalizör kaplaması ve katalizör yüzey alanının fonksiyonudur. Gerçek katalizör yüzey alanındaki referans değişim akım yoğunluğu (referans sıcaklık ve basınçta) verilirse, herhangi bir sıcaklık ve basınçtaki etkin değişim akım yoğunluğu aşağıdaki denklemle elde edilir [5]. i i 0 ref a c L c E C RT 1 T T ref (4.12)

47 28 i 0 ref Birim katalizör yüzey alanındaki referans değişim akım yoğunluğu (referans sıcaklık ve basınçta, genellikle 25 C ve 101,25 kpa), A cm -2 Pt a c Katalizör özgül alanı (Pt katalizör için teorik limit 2,400, ancak en son teknoloji katalizör cm 2 mg -1 alana sahiptir.) L c = Katalizör kaplaması (en son teknoloji elektrotlar 0,3-0,5 mg Pt cm -2 ; düşük kaplamalar mümkün ama düşük hücre gerilimlerine neden olmaktadır) P r = Reaktant kısmi basıncı, kpa P ref r = Referans basınç, genellikle atmosferik basınç, kpa = Basınç katsayısı (0,5-1,0) E = aktivasyon enerjisi, 66 J mol -1 (oksijen indirgenme reaksiyonu için) R = gaz sabiti, 8,314 J mol -1 K -1 T= sıcaklık, K T ref = referans sıcaklığı, yani 298,15 K. Değişim akım yoğunluğu (i 0 ), elektrotun elektrokimyasal reaksiyona devam etmek için hazır olmasının bir ölçüsüdür. Eğer, değişim akım yoğunluğu yüksek ise, elektrotun yüzeyi daha fazla aktif olur. Bir hidrojen-oksijen yakıt hücresinde, anotta referans değişim akım yoğunluğu, katoda göre çok daha büyüktür. Verilen herhangi bir aşırı-potansiyelde yüksek değişim akım yoğunluğunda, daha fazla akım üretilir. Veya tam tersi yüksek akım yoğunluğunda düşük aktivasyon kayıpları vardır. Bu kayıplar hem anot hem de katotta meydana gelir ancak oksijen indirgenmesi daha yüksek aşırı-potansiyel gerektirir, yani hidrojen oksitlenmesinden daha yavaştır [5]. Yüksek negatif aşırı-potansiyelinde (E ), yakıt hücresi katodunda potansiyel eşitliğini akım yoğunluğu fonksiyonu olarak veren Butler Volmer (Eş 4.11) denkleminin ilk terimi daha baskın olur [5]. Böylece V act,c, katot aktivasyon kayıpları şu şekilde ifade edilir:

48 29 V act,c =E r,c E c = RT cf ln i i 0,c (4.13) Benzer şekilde anotta, pozitif aşırı gerilimde (E E r ) Butler-Volmer denkleminin (Eş 4.11) ikinci terimi baskın olur [5]. Böylece V act,a, anot aktivasyon kayıpları şu şekilde ifade edilir: V act,a E a E r,a = RT af ln i i 0,a (4.14) Burada V act,a anot aktivasyon kayıplarını göstermektedir. V act,a ve V act,c aktivasyon kayıpları, bir yakıt hücresinde tek kayıp olsaydı hücre potansiyeli şu şekilde olurdu: V cell =E r V act,c V act,a (4.15) V cell =E r RT cf ln i i 0,c RT af ln i i 0,a (4.16) Ohmik kayıplar Ohmik (direnç) kayıplar, membrandaki iyon akışına (hareketine) ve elektriksel olarak iletken yakıt hücre bileşenleri aracılığıyla elektron hareketine karşı direnç nedenleriyle oluşur [5]. Bu kayıplar Ohm yasası ile ifade edilebilir: V ohm ir i (4.17) Burada, i akımı temsil etmektedir. R i ise iyonik, elektronik ve temas dirençlerini içeren toplam hücre iç direncidir, yani:

49 30 R i =R i,i R i,e R i,c (4.18) Grafit veya polimer / grafit kompozitler, akım toplayıcı plaka olarak kullanıldığında elektronik direnç ihmal edilir. Temas direnci büyük ölçüde gaz difüzyon tabakası ve akım toplayıcı plaka için kullanılan malzemeler ve uygulanan sıkma basıncına bağlıyken, iyonik direnç çoğunlukla polimer membran nemlilik durumuna bağlıdır. İyi tasarlanmış, monte edilmiş ve işletilmekte olan yakıt hücresinde R i için tipik değerler 0,1 ve 0,2 Ω cm 2 arasındadır [5] Konsantrasyon kayıpları Konsantrasyon kayıpları, reaktanların yüksek akım yoğunluklarında katalizör yüzeyine ulaşamaması sonucu oluşan kayıpları ifade etmektedir. Genel anlamda konsantrasyon kayıpları katot tarafında görülür. Çünkü oksijenin molekül büyüklüğü, hidrojene göre daha büyüktür. Dolayısıyla oksijenin difüzyon hızı, hidrojenin difüzyon hızından daha küçüktür. Katotta oluşan su ve elektro-osmotik sürüklenmeden dolayı anottan gelen su, oksijen moleküllerinin bir kısmının reaksiyon bölgesine gitmesine engel olur. Yüksek akım yoğunluklarında, katotta elektro-kimyasal reaksiyon sonucu oluşan su miktarını artıracağından dolayı konsantrasyon kayıpları daha da artar. Reaktanlar elektro-kimyasal reaksiyonlarda hızlıca tüketildiği zaman konsantrasyon kutuplaşması oluşur böylece konsantasyon değişimleri meydana gelir. Elektro-kimyasal reaksiyon potansiyeli reaktanların kısmi basıncı ile değişmektedir [5]. Hücre içerisinde gerçekleşen konsantrasyon kayıpları şu şekilde ifade edilir: V conc = RT nf ln C B C S (4.19) Burada C B reaktan bulk (toplu) konsantrasyonunu ve C S katalizör yüzeyinde reaktan konsantrasyonu gösterir.

50 31 Fick Kanunu na göre, reaktan akışı konsantrasyon farkı ile doğru orantılıdır. Katalizör yüzeyinde reaktan konsantrasyonu, akım yoğunluğuna bağlı olup yüksek akım yoğunluğunda düşük yüzey konsantrasyonu oluşur. Tüketim oranı, difüzyon oranını aştığında yani reaktan yüzeye ulaşabileceğinden daha hızlı tüketilirse yüzey konsantrasyonu sıfıra ulaşır. Bunun gerçekleştiği akım yoğunluğuna sınırlayıcı akım yoğunluğu (i L ) denir. Bir yakıt hücresi sınırlayıcı akımdan daha fazlasını üretemez çünkü katalizör yüzeyinde reaktanlar yoktur [5]. Konsantrasyon polarizasyonu nedeniyle oluşan kayıplar aşağıda verilen denklemle ifade edilir [5]. V conc = RT nf ln i L i L i (4.20) Burada; i L, sınırlayıcı akım yoğunluğunu, n ve F sırasıyla elektron sayısını ve Faraday sabitini göstermektedir İç akımlar ve karşı geçiş (yakıt sızması) kayıpları Bir polimer membran; elektriksel olarak iletken olmamasına ve reaktan gazlara karşı geçirgen olmamasına rağmen, bazı küçük miktarlarda hidrojen, anottan katota geçebilmekte ve bazı elektronlar da membran üzerinden kısa yol bulabilmektedir. Polimer elektrolit membran vasıtasıyla yayılan ve yakıt hücresinin katot tarafında oksijenle reaksiyona giren her hidrojen molekülü, iki elektron içerdiğinden dış devre aracılığıyla üretilen elektron akımında iki elektron daha az olmasına yol açmaktadır [5]. Hidrojen sızması veya elektron çapraz geçişi hidrojen tüketim oranından ya da toplam üretilen elektrik akımından daha düşük olduğundan, bu kayıplar yakıt hücre operasyonlarında önemsiz görülebilir, ancak yakıt hücresi açık devre potansiyelinde olduğu zaman ya da çok düşük akım yoğunluklarında çalıştığında bu kayıpların hücre potansiyeli üzerinde daha fazla etkisi olabilir [5].

51 32 Toplam elektrik akım yoğunluğu, yakıt çapraz geçişi (sızması) ve iç akımlar nedeniyle oluşan akım kayıpları ile dış akımın toplamıdır. Bu nedenle dış akım sıfıra eşit olsa bile aktivasyon kayıplarıyla birlikte iç akım ve çapraz geçiş kayıpları verilen şartlar için hücre voltajını (gerilimini) tersinir hücre potansiyelinin altına getirmek için yeterlidir. Bu nedenle hidrojen / hava yakıt hücrelerinin açık devre potansiyeli, genellikle 1 V un altındadır, büyük ihtimalle (işletme basıncına bağlı olarak) 0,94-0,97 V arasındadır [5] Gerçek Yakıt Hücre Potansiyeli - Polarizasyon Eğrisi Gerçek hücre potansiyeli (V cell ), teorik hücre potansiyelinden aktivasyon ( V act ), ohmik ( V ohm ), konsantrasyon ( V conc ) kayıplarının çıkarılması sonucu elde edilir: E cell E r ( V act V conc a ( V act V conc ) V ohm (4.21) (Eş 4.13), (Eş 4.14), (Eş 4.17) ve (Eş 4.20) denklemleri (Eş 4.21) denkleminde yerine koyarak, yakıt hücre potansiyeli ve akım yoğunluğu arasındaki ilişkiyi gösteren yakıt hücresi polarizasyon eğrisi elde edilir [5]. E cell E r,t,p RT CF RT af RT nf RT nf ir i (4.22) Aktivasyon, omik ve konsantrasyon kayıplarının, teorik hücre geriliminden çıkarılarak elde edilen hücre polarizasyon eğrisi Şekil 4.1 de verilmiştir [5].

52 33 Şekil 4.1 Yakıt hücresindeki gerilim kayıpları ve polarizasyon eğrisi Anot ve katot aktivasyon kayıpları aynı olarak değerlendirilir ancak kayıpların çoğunluğu oksijen indirgenme reaksiyonundaki yavaşlık nedeniyle katot da meydana gelmektedir [5] Gerçek Hücre Verimliliği Yakıt hücresi verimliliği, faydalı enerji çıkışı yani üretilen elektrik ve enerji girişi yani tüketilen hidrojen arasındaki orandır. Her ikisi de watt veya kilowatt gibi aynı birimlerde olmalıdır [5]. = W el W H2 (4.23) Burada, verimi; W el, üretilen elektrik enerjisini; W H2, tüketilen hidrojen miktarını göstermektedir. Elektrik üretimi (W el ), sadece gerilim (V) ve akımın (A) çarpımıdır. W el =V I (4.24)

53 34 Tüketilen Hidrojen miktarı N (mol/s), Faraday Kanununa göre doğrudan üretilen akım I (A) ile orantılıdır; N H2 = I nf (4.25) Tüketilen hidrojenin enerji değeri ; W H2 = H I nf (4.2 ) Elde edilen elektrik üretimi (W el ) ve tüketilen hidrojen enerji değeri (W H2 ) Eş 4.23 te yerine koyulursa, yakıt hücre verimliği ( ) aşağıdaki gibi bulunur; = W el = V I W H2 H I = nfv H nf (ΔH/nF), Volt boyutunda ve ΔH = 286 kj / mol için 1,482 V değerine eşittir. Böylece yakıt hücre verimliliği sadece hücre potansiyeli (V) ile doğru orantılıdır [5]. = V 1,482 (4.27)

54 35 5. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI Yakıt hücresi üzerine verimini ve performansını arttırmak çok sayıda araştırma yapılmaktadır. Yakıt hücresinin özellikle hücre etkinliği ve performansını arttırmak için, yakıt hücre bileşenlerinin (akım toplayıcı plakalar, gaz akış kanalları, gaz difüzyon tabakası, katalizör tabakası ve membran) ve çalışma parametrelerinin optimize edilmesi gerekmektedir. Yakıt hücrelerinde deneyler çok pahalı ve zaman almaktadır. Bu nedenle, sayısal analiz çalışmaları yakıt hücresini incelemek için bir alternatif yol sunmaktadır. PEM yakıt hücresinde mevcut araştırmalar; yakıt hücresi performans modelleme, su taşınımı ve yönetimi ile ilgili deneyler, dinamik yakıt hücre modelleri ve akış alanı tasarımı konularında yoğunlaştığı görülmektedir. Bu bölümde literatürde yapılan çalışmalardan bazıları açıklanmıştır. Wang ve arkadaşları [11], yaptıkları deneysel çalışmada yakıt hücresi çalışma sıcaklıkları, katot ve anot nemlendirme sıcaklıkları, çalışma basınçları gibi çalışma parametrelerinin PEM yakıt hücresi performansı üzerindeki etkisi, katot tarafında hava ve anot tarafında saf hidrojen kullanarak polarizasyon eğrileri üzerinde gösterilmiştir. Ayrıca oluşturdukları sayısal model aracılığıyla deneysel sonuçlarla sayısal sonuçları karşılaştırarak kullanılan sayısal modelin doğruluğunu araştırmışlardır. Sivertsen ve Dijali [12], Proton Değişim Membran (PEM) yakıt hücreleri için karşılaştırmalı, izotermal olmayan, 3 boyutlu hesaplamalı model geliştirerek FLUENT hesaplamalı akışkanlar dinamik (HAD) kodu vasıtasıyla çözümlemişlerdir. Katot ve anotta gerçekleşen elektrokimyasal reaksiyon ile ilişkili olarak ısı üretimi modele dahil edilmiştir. Modelde elektrotlar ve membran içinde elektrik ve iyonik potansiyeller için çözülmüştür. Modelin uygulanması, FLUENT HAD kodunun paralel işlem yapısından yararlanmıştır. Böylece daha iyi ağ yapısı ile hızlı simülasyonlar sağlanmıştır. Parametrik analiz sonucunda, toplam akım yoğunluğu ve

55 36 polarizasyon eğrisinde değişim görülmeden sadece asimetri parametresinin değiştirilerek farklı dağılımların elde edilebileceği görülmüştür Ramos-Alvarado ve arkadaşları [13], gaz dağıtım kanalları olarak simetrik akış kanalları kullanarak PEM yakıt hücresinin performansını incelemişlerdir. Burada anot ve katot tarafında iki simetrik ve bir serpantin akış alanına sahip PEM Yakıt hücreleri kullanılmıştır. Akış alanı, kütle korunumu, enerji korunumu, türlerin taşınımı, ve elektrik / iyonik alanlar kararlı ve tek fazlı kabülleri yapılarak ticari HAD kodu ile analiz edilmiştir. Akış şekline bağlı olarak hidrolik performans; basınç düşüşü ve pompa gücü ile değerlendirilerek incelenmiştir. Farklı akış düzenlemelerinin akım yoğunluğu, yakıt ve oksijen konsantrasyonlarına etkisi değerlendirilmiş, serpentin akış düzeni kullanan bir yakıt hücresinin performansı simetrik akışa sahip bir yakıt hücresinin performansından daha üstün olduğu sonucunu elde etmişlerdir. Genel performansı belirleyen temel unsurlar performans eğrileri elde edilmiş, serpantine düzenleme kullanımında daha düşük ohmik ve konsantrasyon kayıpların olduğunu görülmüştür. Ancak serpantin akış düzenlemeleri basınç düşüşünü artırmaktadır. Yeni tasarımlar simüle edilmiş ve elde edilen sonuçlar serpantin düzenleme ile karşılaştırılmıştır. Serpantin ve yeni simetrik düzenlemeler hidrolik performans açısından karşılaştırıldığında, pompa gücü gereksinimleri yeni simetrik düzenleme ile iyileşme göstermiştir. Obayopo ve arkadaşları [14], tek kanallı PEM yakıt hücresinin üç boyutlu sayısal modeli, değişik çalışma koşulları altında performansı incelenmiştir. Model, deneysel verilerle karşılaştırılarak sonuçların doğruluğu kontrol edilmiştir. Bu çalışmada gözeneklilik, türlerin kütlesel debi ve yakıt gaz kanalları geometrisi maksimum güç çıkışı için PEM yakıt hücresinin sistem tasarımında ihtiyaçları belirlenmiştir. Sıcaklık, gaz difüzyon tabakası gözenekliliği, katot gaz debisi ve tür akış yönü yakıt hücresi performansına etkileri incelenmiştir. Analiz sonuçları değişen işletim parametrelerinin tek kanallı yakıt hücresi performansı üzerine etkileri hakkında bilgiler vermiştir. Sonuçlar yakıt hücre performansının 60 ile 80 sıcaklık aralığındaki artış ile arttığını göstermektedir. Sıcaklığı daha da artması yakıt hücre performansında azalma göstermiştir. Gaz difüzyon tabakasının (GDL)

56 37 gözenekliliğini de yakıt hücre performansını etkilemektedir. Yakıt hücresi performansı üzerinde gözenekliliğin etkileri 0,1 0,4 seviyelerinde, 0,5 0,7 seviyelerine göre daha belirgindir. PEM Yakıt hücre performansı üzerindeki çalışma ve tasarım parametrelerinin etkisi de düşük işletme gerilimlerinde daha yüksek işletme gerilime göre daha baskındır. Sadiq Al-Baghdadi ve Shahad Al-Janabi [15], düz kanallı bir PEM yakıt hücresinin izotermal olmayan, üç boyutlu hesaplamalı akışkanlar dinamiği modeli geliştirmişlerdir. Sayısal model kullanılarak parametrik ve optimizasyon çalışması yapılmıştır. Sıcaklık, basınç, stokiyometrik akış oranı, gaz kanalı genişliği, membran kalınlığı, gaz difüzyon tabaka kalınlığı ve gözenekliliği gibi çalışma, tasarım ve malzeme parametrelerinin etkisi yakıt hücresi performansı incelemişlerdir. Oluşturulan kapsamlı model bir PEM yakıt hücresindeki başlıca taşınım olaylarını (ısı ve kütle transferi), elektrot kinetiği, ve potansiyel alanları açıklamaktadır. Bu model çalışması; birçok etkileşim, deneysel çalışılamayan karmaşık elektrokimyasal ve taşınım olaylarını anlamak, sınırlayıcı adımları ve bileşenleri tanımlamak ve gelecekteki yakıt hücrelerinin çok daha yüksek güç yoğunluğu ve düşük maliyet ile tasarım ve optimizasyonu için bilgisayar destekli araç sağlamaktadır. Wei ve Zhu [16], Proton Değişim Membranlı (PEM) yakıt hücresi için üç boyutlu, kararlı halde, izotermal olmayan matematiksel model yeni araştırmalar için geliştirilmiştir. Bu 3 boyutlu modeli yakıt hücre içindeki elektrokimyasal reaksiyonların yanı sıra aynı anda kütle, momentum, enerji, türler, yük korunumu denklemlemlerini dikkate almaktadır. Simülasyonlarda 0,2-0,4-0,6 ve 0,8 farklı gözeneklik değerleri için polarizasyon eğrileri oluşturulmuştur. Simülasyon sonuçları yakıt hücresi yüksek akım yoğunluğunda olduğu zaman yüksek gözeneklilikteki hücre performansı düşük gözeneklikten daha iyi olduğunu göstermiştir. En yüksek akım yoğunluğu bölge akım toplayıcı plaka ve difüzyon tabakasının sırt kısmının birleşim yeridir. Burada gaz taşıma yolu ve elektron taşıma yolu olan alanın nispeten daha kısa olduğu düşünülmektedir. Akış kanalının üstünde akım yoğunluğu çok küçüktür. Sırt kısmı altında katalizör tabakası içine oksijen difüzyonu düşük gözeneklilikte zordur. Ayrıca yüksek gözeneklilikte su kütle oranı dağılımı küçük

57 38 değişim gösterirken, difüzyon tabakasında su transferi için elverişli olduğunu açıklamaktadır. Le ve Zhou [17], Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücresinin (PEM) genel bir modelini özellikle PEM yakıt hücresi performansı üzerinde sıvı suyun etkilerini araştırmak; sıvı akışı, ısı transferi, türlerin taşınımı, elektrokimyasal reaksiyon ve akım yoğunluğu dağılımı simüle etmek için kullanmıştır. Termo-elektrokimyasal, çoklu-türler, ve gaz-sıvı ara yüzündeki iki fazlı bir etkileşimi olan kararlı olmayan üç boyutlu modele, ticari hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yazılım paketi FLUENT v6.2 ile kendi kullanıcı tanımlı fonksiyonları (UDF) uygulanmıştır. 3 boyutlu, kararlı olmayan PEM yakıt hücresinde sıvı suyun hareket ve davranışları, kararsız sıvı akışı, türlerin taşınımı, enerji taşınması ve elektrokimyasal korunum denklemlerini çözme ile birlikte VOF ara yüz izleme algoritması kullanılarak tarif edilmiştir. Tam bir PEM yakıt hücresi; membran, gaz difüzyon tabakaları (GDL), katalizör tabakaları, gaz akış kanalları ve akım toplayıcı plakalardan oluşmakla birlikte bu çalışmada serpantin kanallı PEM yakıt hücresi üzerinde sıvı suyun etkileri araştırılmıştır. Kanalda sıvı suyun varlığı önemli ölçüde akış alanı parametresi etkilemektedir. Yani, su damlacıklarının tıkanmasından dolayı gaz akışı dengesiz dağıtılmakta ve sıvı damlacıkların konum etrafında yüksek basınç düşüşü bölgeler oluşmuştur. Sonuçlar bu genel modelin, PEM yakıt hücresinin pratik mühendislik tasarımlarının optimizasyonu için çok yararlı bir araç olabileceğini göstermektedir. Kanal yapısı hücre içinde sıvı su dağılımını önemli ölçüde etkilemektedir. Analiz edilen serpentin kanalda, dönüş alanında sıvı suyun çıkarılması zordur. Bu nedenle, sıvı suyun bir kısmı gözenekli bir ortam içinde gaz difüzyon tabakası boyunca hareket eğilimindedir. Bu sıvı su, yakıt hücresinde gaz taşınımına engel olacağından yüksek bir konsantrasyon kaybı ve doğrudan akım yoğunluğunun azalmasına neden olmaktadır. Ayrıca, enerji denklemi çözerek, yakıt hücresi üzerindeki sıcaklık dağılımı elde edilmiştir. Yakıt hücresine uygun konveksiyon katsayısı uygulanarak sıcaklık yaklaşık 333K de kontrol edilmiştir. Model ayrıca sıvı su varlığında kanal ve

58 39 gözenekli tabakada sıcaklığının sıvı su olmadığı durumdan daha düşük olduğunu göstermiştir. Yuan ve arkadaşları [18], işletim parametrelerinin (örneğin işletme basıncı, yakıt hücre sıcaklığı, reaktant gazların bağıl nem ve hava stokiyometrik oranı) PEM yakıt hücresinin performansına etkisini 3 boyutlu, iki fazlı yakıt hücreli sayısal modeli kullanarak incelemiştir. Oluşturulan sayısal model bir ticari Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılım programı FLUENT ile çözülerek modelleme sonuçları I-V ve I-P eğrileri içeren polarizasyon eğrileri üzerinde gösterilmiştir. Bu çalışmada sunulan model membranın yanı sıra anot ve katot akım kollektörleri, akış kanalları, gaz difüzyon tabakaları, katalizör tabakaları olmak üzere dokuz tabakadan oluşmaktadır. Uygun çalışma parametreleri PEM yakıt hücresi için kararlı performansını korumak için gereklidir. Çalışma parametrelerinin PEM yakıt hücrelerinin performansı etkileri başlıca su, ısı ve gaz yönetimi mekanizmaları ile ilgilidir. Farklı çalışma parametreleri hücre performansı farklı etkileri vardır. Bu çalışmada, farklı işletim parametreleri ilgili polarizasyon eğrileri modelleme sonuçlarından elde edilmektedir. Sonuç olarak; hücre performansı çalışma basıncı ve çalışma sıcaklığının artırılmasıyla iyileşme göstermektedir. Anot nemlendirilmesi hücre performansı üzerinde katot nemlendirilmesinden daha önemli bir etkisi sahip olduğu ve en iyi performans hidrojen tamamen nemlendirilmiş ise orta hava bağıl neminde oluştuğu sonucuna varmışlardır. Carcadea ve arkadaşları [19], PEM yakıt hücre performansının önemli ölçüde yakıt ve oksidan akışı yönünden etkilendiğini düşünerek, serpantin kanallı PEM yakıt hücresi için aynı-yönlü akış ve ters akış (co-flow and counter flow) olmak üzere iki farklı yapılandırmayı ticari FLUENT 6.3 programının Yakıt Hücre Modülü kullanılarak analiz etmişlerdir. Elde edilen sonuçlar simülasyonlar, hakkında bilgi sağlamaktadır. Oluşturulan HAD modeli aynı yönlü ve zıt yönlü akış yapılandırma ile PEM yakıt hücresinde meydana gelen taşınım olayları için akış tipinin konvektif ısı ve kütle transferi etkisini açıklamaktadır. Sonuç olarak; serpantin kanallı PEM

59 40 yakıt hücresinde ters akış (counter-akış) düzenlemesinin performans olarak aynı yönlü akış (co-flow ) düzenlemesinden daha iyi olduğu sonucuna varmışlardır. Hashemi ve arkadaşları [20], düz ve serpantin akış kanallı Proton Değişim Membran (PEM) yakıt hücrelerinin performansını incelemek için izotermal olmayan 3 boyutlu sayısal model oluşturmuşlardır. Sayısal modelde, membran ve akış kanalları için korunum denklemlerini sonlu hacim yöntemi ile çözülmüştür. Simülasyonlar, düz ve serpantin akış alanlı PEM yakıt hücrelerinde kütle, ısı ve enerji transferini, elektrot kinetiği ve potansiyel alanları içeren temel aşınım olayları hücre performanslarını karşılaştırmak için yapılmıştır. Elde edilen sonuçlarda serpentin akış alanında daha iyi akım yoğunluğu ve sıcaklık dağılımı görülmüştür. Simülasyonlarda, oksijen ve hidrojen kütle oranı dağılımları, akım yoğunluğu ve sıcaklık dağılımı belirlenmiştir. Simülasyon sonuçları literatürdeki deneysel verilerle karşılaştırılmış ve sayısal model deneysel sonuçlarla iyi bir uyum göstermiştir. Sayısal çalışmada tek fazlı kabülü yapıldığından katotta su fazlalığı ve anotta meydana gelen kuruma ihmal edilir bu nedenle yüksek akım yoğunluklarında modelleme sonuçları deneysel sonuçlardan sapma göstermiştir. Patularu ve arkadaşları [21], yaptıkları deneysel çalışmadaki amaçları; özellikle çalışma parametrelerini optimize ederek yakıt hücresi performansını artırmak değil, çalışma parametrelerinin oluşturulan elektriksel parametreler üzerindeki etkilerini araştırmaktır. Yakıt hücresinin elektrik performansı üzerinde etkiye sahip birinci çalışma parametresi gaz nemliliğidir. Nemliliğin artması elektrik özelliklerini artırmıştır. Bu iyileşme, yüksek su içeriği nedeniyle polimer membranın proton iletkenliğinin artması buna bağlı olarak hücre iç direncin azalmasından kaynaklanmaktadır. İkinci parametre olarak çalışma sıcaklığının hücre performansına etkisi incelenmiştir. Artan çalışma sıcaklığı ile test boyunca elektrik çıkış parametrelerinde iyileşmeler olduğu görülmüştür. Daha sonra nemlendirme ve sıcaklık aynı değerde tutularak, yakıt hücre çalışma basıncı değiştirilmiş ve elektrik parametrelerine etkisi belirlenmiştir. Yakıt hücresinin performansını artan basınç ile iyileşmekte olup, aynı voltaj değeri için karşılık gelen akım yoğunluğu daha yüksektir. Bu artış, kimyasal reaksiyon hızı hidrojen ve oksijen (hava) kısmi

60 41 basıncının artmasına bağlıdır. Bu nedenlerle yakıt hücrelerinin çalışma parametrelerinin kontrolü karmaşıktır. Yakıt hücresinin tasarım ve boyutlandırılması çalışma parametrelerine göre yapılmalıdır. Berning ve Dijali [22] yaptıkları çalışmada üç boyutlu, izotermal olmayan bir Polimer Elektrolit Membran (PEM) yakıt hücresi modeli kullanarak çalışma ve geometrik parametrelerinin hücre performansı üzerine etkisi incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar literatürdeki deneysel sonuçlar ile uyum göstermiştir. Yakıt hücre performansı üzerindeki sıcaklık, basınç, sitokiyometrik akış oranı gibi çalışma parametrelerin etkisinin yanı sıra, gaz kanalı eni ve kenarı arasındaki oran, gaz difüzyon tabaka kalınlığı ve gözenekliliği gibi geometrik ve malzeme parametreleri incelenmiştir. Hücre içindeki temas direncinin bu tip parametrelerin yakıt hücre performansı üzerindeki etkisinin değerlendirilmesi için önemli olduğu bulunmuştur. Sonuçlar, bir tasarım ve optimizasyon aracı olarak sayısal modelin yararlılığını göstermiştir.

61 42 6. PEM YAKIT HÜCRESİ MATEMATİKSEL MODELİ Bu bölümde, HAD yöntemi ile PEM yakıt hücresi analizinde kullanılan korunum denklemleri ve elektrokimyasal reaksiyonları içeren, matematiksel model sunulmaktadır. Modelin basitleştirilmesi için gerekli olan varsayımları takiben, çeşitli taşınım olaylarını yöneten korunum denklemleri açıklanmıştır. Daha sonra, korunum denklemlerinin kısa bir özeti tablo halinde sunulmuştur. Son olarak, modelde kullanılan sınır şartları verilmiştir. PEM yakıt hücresinin HAD yöntemi kullanarak analizi için kütle, momentum, enerji, kütle transfer denklemleri ve elektro-kimyasal korunum denklemlerinin sınır ve başlangıç şartlarıyla birlikte çözülmesi gerekir. Söz konusu denklemlerin oluşturulmasında yapılan kabuller aşağıda verilmiştir. Yapılan Kabüller PEM yakıt hücresinin kararlı halde çalıştığı. Reaksiyona giren reaktantların (hidrojen ve hava) ideal gaz davranışı gösterdiği. Elektro-kimyasal tepkimeler sonucu oluşan suyun gaz fazında olduğu ve faz değişimi olmadığı. Membranın tümüyle nemlendirildiği ve protonik iletkenliğin sabit olduğu. Membranın gazlara karşı geçirgen olmadığı ve reaktan gazların çapraz geçişinin ihmal edildiği. Gaz difüzyon ve katalizör tabakalarının ve membranın izotropik geçirgen tabakalar olduğu.

62 Korunum Denklemleri Yakıt hücresinin analizi için çözülen korunum denklemleri aşağıda açıklanmaktadır Kütle korunum denklemi Yakıt hücresinde gerçekleşen akışkanların akışı, difüzyon, faz değişimi gibi süreçlerde geçerli olan kütle korunum denklemi, kararlı hal için şu şekildedir: ( u) ( v) y ( w) z S m (6.1) Burada S m ve terimleri sırasıyla kaynak terimini ve akışkanın yoğunluğunu ifade etmektedir. Kaynak terimi S m, membran, gaz difüzyon tabakaları ve gaz kanallarında sıfırdır. u, v, w terimleri sırasıyla, y, z yönlerindeki hız bileşenlerini göstermektedir. terimi gözenekliliği ifade etmekte olup, gözenekli olmayan bölgelerde 1 değerini almaktadır [13]. Elektrokimyasal reaksiyonların gerçekleştiği yer olan katalizör tabakaları, matematiksel modelin en önemli bölgesidir. Katalizör tabakalarında hidrojen/oksijen tüketimi ve su oluşumu vardır. Yakıt hücresinde reaktan gazların tüketimi ve üretilen gazlar için kullanılan kaynak terimleri (S m ) şu şekildedir [13]. S m = S H 2 S H2 O anot katalizör tabakası S O2 S H2 O katot katalizör tabakası Katot katalizör tabakasında, oksijen tüketimi ve su oluşumu bölgesel akım yoğunluğuna dayalı kaynak terimi olarak modellenir [13]. S O2 = M O 2 4F i c (6.2) S H2 O= M H 2 O 2F i c (6.3)

63 44 Anot katalizör tabakasında hidrojen, elektron ve proton üretmek için tüketilir. Hidrojen tüketimi, oksijen tüketimine benzer olarak kaynak terimi olarak modellenir [13]. S H2 = M H 2 2F i a (6.4) Burada M molar kütleleri (kg kmol -1 ), F Faraday sabitini (C mol -1 ), i akım yoğunluğunu (A m -3 ) göstermektedir. Bu çalışmada reaksiyon sonucu oluşan suyun, buhar halinde olduğu kabul edilmektedir Momentum korunum denklemi Akış alanı, Newtonian akışkan için momentum korunumunu ifade eden Navier- Stokes denklemi ile yönetilir [12]. Üç boyutlu kararlı hal için momentum korunum denklemi şu şekildedir: u u v u y w u z = P μ u y μ u y z μ u z S p (6.5) u v v v y w v z = P y μ v y μ v y z μ v z S py (6.6) u w v w y w w z = P z μ w y μ w y z μ w z S pz (6.7) Burada, μ dinamik viskoziteyi ( kg s -1 m -1 ); u, v, w hız bileşenlerini (m s -1 ) ve P ise basıncı temsil etmektedir. S p gözenekli ortamdan kaynaklanan momentum kaynağıdır. Momentum denklemini ifade eden eşitliğin solundaki terimler akışa bağlı olarak yer değiştirmeyi ifade etmektedir. Eşitliğin sağındaki terimler ise sırasıyla basınç farkından kaynaklanan kuvveti, akışkana etki eden viskoz kuvvetleri ve kaynak terimini ifade etmektedir.

64 45 Akışkan gözenekli ortamdan geçerken kaynak terimi (S p ) hesaba katılır. Gaz kanalları ve akım toplayıcı plakalar için momentum kaynağı S p sıfırdır. Membran tabakası, gaz difüzyon tabakası ve katalizör için momentum kaynağı S p ise şu şekildedir [14]. S p = μu (6.8) S py = μv y (6.9) S pz = μw z (6.10) Burada, μ dinamik viskoziteyi ( kg s -1 m -1 ); u, v, w hız bileşenlerini (m s -1 ) ve geçirgenliği (m 2 ) temsil etmektedir. Ortamın geçirgenliği izotropik olarak kabul edilir böylece ve aynı değere sahiptir [14] Enerji korunum denklemi PEM yakıt hücresi içindeki sıcaklık dağılımı, enerji denklemi çözülerek elde edilebilir. Üç boyutlu kararlı hal için enerji denklemi şu şekilde yazılabilir: ( uh) ( vh) y ( wh) z k T y k T y z k T z S h (6.11) Bu denklemde h entalpiyi (J/kg), k ısıl iletkenliği (W/m-K) ve hacimsel kaynak terimini göstermektedir. (W m -3 ) ise

65 46 Enerji denklemini ifade eden eşitliğin solundaki terim konvektif enerji transferini ifade etmekte ve eşitliğin sağındaki terimler ise sırasıyla iletim yoluyla ısı trasferini ve kaynak terimini ifade etmektedir. Elektrokimyasal reaksiyonlarda açığa çıkan kimyasal enerjinin hepsi tersinmezlikler nedeniyle tamamen elektrik enerjine dönüşmediğinden, enerji denklemi için ek hacimsel kaynak terimleri mevcuttur. Membran ve katalizör tabakalarında kaynak terimi S h aşağıdaki Eş 6.12 deki gibi ifade edilirken gaz kanalları ve difüzyon tabakasında sıfır değerini alır [13,23]. Reaksiyon süresince ohmik ısınma ve reaksiyon ısısı terimlerini içeren hacimsel kaynak terimleri (Wm -3 ) şu şekilde verilir: S h h react I 2 R ohm (6.12) Burada terimi, elektrokimyasal reaksiyonlar nedeniyle oluşan net entalpi (J/kg-K) değişimini; terimi, anot ve katot katalizör tabakası potansiyel ve akım transferinin çarpımını; I terimi, elektrik akımını (A); R ohm ise elektriksel direnci (ohm) göstermektedir. Farklı bölgelerde ısı kaynağı farklıdır, örneğin katalizör tabakasında reaksiyon ısısı ana kısımken, membran tabakasında ohmik ısınma ana ısı kaynağıdır [13,23] Kütle transfer denklemi Kütle transfer denklemleri; H 2, O 2 ve H 2 O dağılımını elde etmek için elektrokimyasal kinetiğe dayanılarak kaynak terimleriyle birlikte çözülür [13]. Anot tarafı, hidrojen ve su buharı için kütle transfer denklemi: u ( Y H 2 ) v ( Y H 2 ) y w ( Y H 2 ) z (J,H 2 ) (J y,h2 ) y (J z,h2 ) z S H2 (6.13)

66 47 u ( Y aw) v ( Y aw) y w ( Y aw) z (J,aw) (J y,aw ) y (J z,aw ) z S aw (6.14) Katot tarafı, oksijen ve su buharı için kütle transfer denklemi: u ( Y O 2 ) v ( Y O 2 ) y w ( Y O 2 ) z (J,O 2 ) (J y,o2 ) y (J z,o2 ) z S O2 (6.15) u ( Y cw) v ( Y cw) y w ( Y cw) z (J,cw) (J y,cw ) y (J z,cw ) z S cw (6.16) Burada J i, i maddesi (hidrojen, oksijen ve su buharı) için, y, z yönlerindeki difüzyon kütle akısıdır (kgm -2 s -1 ). Y i ise kütle oranıdır. yönündeki difüzyon kütle akısı: J, i D i Y i 6.17 difüzyon katsayısını göstermekte olup şu şekilde ifade edilir: D i 1.5 D i 0 P 0 P T T Bu eşitlikte D i 0, referans sıcaklık ve basınçtaki (300 K, 1 atm) difüziviteyi göstermektedir. Korunum eşitliklerinin solundaki terim akışkan hareketinden ileri gelen konvektif transferi ve eşitliğin sağındaki terimler ise sırasıyla bileşen difüzyonunu ve kaynak terimini (S i ) ifade etmektedir. S i kaynak teriminin hidrojen, oksijen ve su için katalizör tabakasında aldığı değerler aşağıda verilmiştir [13].

67 48 anot katalizör tabakası (6.19) anot katalizör tabakası (6.20) katot katalizör tabakası (6.21) katot katalizör tabakası (6.22) Burada; M molar kütleleri (kg kmol -1 ), F Faraday sabitini (C mol -1 ) ve i akım yoğunluğunu (A m -3 ) göstermektedir. Yukarıda verilen korunum denklemleri ve ilgili kaynak terimleri Çizelge 6.1 de verilmiştir.

68 49 Çizelge 6.1. PEM yakıt hücresi analizinde kullanılan korunum denklemleri ve kaynak terimleri Korunum Denklemleri Kütle Korunum Denklemi Momentum Korunum Denklemi Matemetiksel İfadeler Hacimsel Kaynak Terimleri Gaz difüzyon, katalizör ve membran tabakaları için; Enerji Korunum Denklemi Hidrojen Konsantrasyon Denklemi (Anot) Su Konsantrasyon Denklemi (Anot) Oksijen Konsantrasyon Denklemi (Katot) Su Konsantrasyon Denklemi (Katot) Katalizör ve membran tabakaları için; ç ç ç ç

69 Elektrokimyasal denklemler Elekrokimyasal modellemenin merkezinde, hidrojen oksidasyonun hızı ve oksijen redüksiyonun hızı yatar. Sayısal hesaplamalar için kullanılan FLUENT yazılımının PEM modülünde, bu elektrokimyasal işlemler, membranın her iki tarafındaki katalizör tabakalarının içindeki, katalizör yüzeylerinde gerçekleşen heterojen tepkimeler olarak değerlendirilir. Bu tepkimelerin gerçekleşmesindeki en büyük pay, yüzey aşırı potansiyelidir: katı ve membran faz potansiyelleri arasındaki farklardan doğar. Buna göre; PEM yakıt hücre analizinde, iki potansiyel denklem kullanılır: ilk denklem, katı iletken malzemelerdeki (akım toplayıcılar ve geçirgen ortamın katı gridleri gibi) elektron taşınımını dikkate alırken, diğer denklem; hidrojen iyonlarının protonik (iyonik) taşınımı dikkate alır [24]. Bu iki denklem şu şekildedir:. sol sol R sol =0 (6.23). mem mem R mem =0 (6.24) Denklemlerdeki simgeler ise: : elektriksel iletkenlik ( 1/ohm-m) : elektriksel potansiyel (Volt) R : hacimsel taşınım akımı (A/ ) sol ve mem değerlerini hesaplamak için gerekli olan sınır şartları aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

70 51 Şekil 6.1. mem ve sol için sınır şartlarının şematik gösterimi [24] Dış sınır şartları iki gruba ayrılır: Akımın içinden geçtiği sınırlar ve akımın içinden geçmediği sınırlar [24]. Hiçbir protonik akımın yakıt hücresini bir dış sınırdan terk etmediği göz önüne alınırsa, membranın faz potansiyeli için bir durum; dış sınırların hepsinde sıfır akı sınır şartı olmasıdır [24]. Katı faz potansiyeli, sol için anot ve katot tarafında, dış devre ile bağlantıdaki dış sınırlar göz önüne alınır ve yakıt hücresinde üretilen elektrik akımı sadece bu sınırdan geçer. Diğer tüm dış sınırlarda için sıfır akı sınır şartı vardır [24]. Dış temas sınırlarında, sol (potansiyostatik sınır şartları) için sabit değerler kullanılması çözümün yararınadır. Anot tarafında voltaj sıfırlanırsa, okunan (pozitif) değer katot tarafındaki hücre voltajıdır. Eğer; sabit akı değeri girilirse (katot tarafında örneğin), galvanostatik sınır şartları tanımlanıyor demektir [24].

71 52 Eş ve Eş deki taşınım akımları veya kaynak terimleri, sadece katalizör tabakasında sıfır değerini almaz ve şu şekilde hesaplanır: Katı faz için, Anot tarafında =, katot tarafında = dır. Membran fazı için, Anot tarafında = + ( 0), katot tarafında =- (>0) dır. Bununla birlikte kaynak terimleri, ayrıca değişim akım yoğunluğu (A/ ) olarak da tanımlanabilir. Butler-Volmer fonksiyonunun genelleştirilmiş halidir. Bu fonksiyonun basitleştirilmiş hali Tafel formülasyonudur ve şu şekildedir: (6.25) (6.26) = hacimsel referans değişim akım yoğunluğu (A/ ) tür konsantrasyonu, referans değer ( kgmol/ ) = konsantrasyon bağımlılığı, birimsiz = taşınım katsayısı, birimsiz F= Faraday sabiti ( 9.65x C/kmol) Çözümleme için kullanılan HAD kodu FLUENT te, katalizör tabakaları içindeki taşınım akımlarını bulmak için varsayılan, Butler-Volmer denklemidir. Kinetik olaylar için başlangıç noktası, aktivasyon kaybı olarak da bilinen yüzeysel aşırı

72 53 yüklemedir. Aktivasyon kaybının büyüklüğü; genellikle katı ve membran potansiyelleri, memve sol arasındaki farktır. Anot tarafından katot tarafına geçerken ki elektriksel potansiyel kazanımı, açık devre voltajını, V oc katot tarafından çıkartarak, hesaba katılabilir. an sol mem (6.27) cat sol mem V oc (6.28) Sıvı su oluşumu, taşınımı ve etkileri PEM Yakıt hücreleri, düşük sıcaklıklarda (<100 ) çalıştığından, su buharı yoğuşarak, özellikle yüksek akım yoğunluklarında, sıvı suyu oluşturabilir. Suyun oluşumu membranı nemli tutsa da, gaz yayınma pasajlarını bloklar, yayınma hızını, efektif tepkime alanını ve hücre etkinliğini düşürür. Suyun taşınımı ve oluşumunu modellemek açısından, FLUENT doymuş su modelini kullanır. Buna göre, sıvı su oluşumu ve taşınımı, suyun hacimsel kesri, s, veya su doygunluğu için aşağıdaki korunum yasası kullanılır. (6. 29) l alt indisi sıvı su için, terimi de yoğuşma hızı için kullanılır. su buharlaşma denklemine ve basınç düzeltmesine (kütlesel kaynak) eklenir. Bu terim membranın içinde uygulanmaz. Eş 6.29 yoğuşma, buharlaşma, kılcal yayınma ve yüzeysel gerilme gibi çeşitli fiziksel olayları modeller. Gaz fazı tür yayınmaları şu şekilde verilir:

73 54 (6.30) Bu denklemde, i maddesinin referans bir sıcaklık ve basınçta (, ) kütle yayınımını göstermektedir. Bu referans değerler ve üsler ( ve ) ve por blokaj üsteli ( ) PEM UDF(user-defined functions) lerinde şu şekilde tanımlanır. = Pa =1.0 =25 = 1.5 Yakıt hücresinin elektrolit membranı geçirgen sıvı bölgesi şeklinde tanımlanır. Membran elektriksel faz iletkenliği, su yayınımı, ozmotik sürüklenme katsayısı gibi özellikler, su içeriğinin bir fonksiyonu olarak, belirli korelasyonlar kullanılarak, elde edilirler. Membran Elektriksel Faz iletkenliği (6. 31) Bu denklemde su içeriğini göstermektedir. İki model sabiti, ve, = =1 olduğunda orijinal korelasyon olur. Ozmotik Sürüklenme Katsayısı (6.32) Geri Yayınım Akısı (6.33)

74 55 ve, kuru membranın sırasıyla yoğunluğu ve eşdeğer ağırlığıdır. Membran Su Yayınımı (6.34) Su İçeriği Bundan önceki özellik hesaplamalarında su içeriği, korelasyonlarından bulunur., Springer ve ark. (6.35) (6.36) Burada a su aktivitesidir ve şu şekilde tanımlanır: (6.37) Su Buhar Basıncı Su buharı kısmi basıncı, buhar molar kesrine ve lokal basınca bağlı olarak bulunur: P wv H2 OP (6.38) Doyma Basıncı Doyma Basıncı[atm] türünden şu şekilde hesaplanır: P sat 2,1794 0,02953 T 273,15 9, T 273,15 1, T 273,15 (6.39) Kullanılan korelasyona göre, su aktivitesi; toplam su veya kızdırılmış su buharı baz alınarak tanımlanır. Eldeki çift-fazlı modelde, faz değişimi söz konusu olduğu zaman, orijinal formüle 2s eklenir.

75 Sınır Koşulları Sınır koşulları, çoklu fiziksel akış yapısını ve akım yoğunluğu çıkışını elde edebilmek için doğru formüle edilmesi gerekir [15]. Matematiksel modelde tanımlanan sınır koşulları aşağıda açıklanmaktadır Giriş sınır şartı PEM yakıt hücresinin anot girişinde hidrojen ve su buharı, katot girişinde ise oksijen, su buharı ve azot gaz karışımı bulunmaktadır. Bu çalışmada, anot ve katot gaz akış kanalları giriş yüzeylerinde kütlesel debi giriş sınır şartı yani kütlesel akış oranı tanımlanmıştır. Ayrıca anot ve katot gaz kanalları giriş yüzeylerinde sıcaklık ve kütle oranı değerleri belirtilmiştir. Gaz kanalları girişinde akışkan hızı; hücre akımı, stokiyometrik akış oranı, membran elektrot birlikteliği (MEA alanı) ve gaz kanalı kesit alanının bir fonksiyonudur. Diğer bir deyişle girişlerdeki kütlesel debiler, belirli bir akım yoğunluğu ve stokiyometrik akış oranı için gerekli reaksiyon miktarını sağlamak için yeterli olmalıdır [15,25]. Anot ve katot gaz kanalları giriş hızları aşağıdaki formüller kullanılarak hesaplanır. u c,in c I n e F A MEA 1 O 2,in RT in,c P c,in 1 A ch (6.40) u a,in a I n e F A MEA 1 H 2,in RT in,c P a,in 1 A ch (6.41) Burada; anot ve katot tarafı için reaktan stokiyometrik akış oranıdır. Stokiyometrik akış oranı, tanımlanan referans akım yoğunluğunu I ref A m 2 üretmek için gerekli reaktan miktarının sağlanan reaktan miktarına oranı şeklinde tanımlanır ve birimsizdir. n e reaktan bileşenlerinin bir molündeki elektron sayısıdır katottaki oksijen için = 4, anottaki hidrojen için n e = 2 dir [15,25].

76 57 A MEA, aktif yüzey alanı; T a,in, T c,in anot ve katot giriş sıcaklıklarını; P c,in ve P a,in anot ve katot giriş basınçlarını, göstermektedir [25]. giriş hidrojen ve oksijen mol oranını Çıkış sınır şartı PEM yakıt hücreleri performansını etkileyen bir diğer parametre hücre çalışma basıncı (P op ) dır. Hücre çalışma basıncı, pratikte reaktan akış kanalı çıkışlarına yerleştirilen geri basınç vanaları ile ayarlanmaktadır [11]. Nernst eşitliğine göre reaktan kısmi basınçlarının artması ile hücre teorik potansiyelini arttığından hücre performansının artması beklenir. Anot ve katot kısmında bulunan gaz kanalları çıkısında basınç tanımlı çıkış sınır şartı kullanılmıştır. Neumann sınır koşulları diğer değişkenler için uygulanmıştır. Yani hız, sıcaklık, kütle oranları ve potansiyel alanların ek skalar denklemleri için normal gradyanlar sıfır alınabilir. Basınç tanımlı çıkış sınır şartının matematiksel ifadeleri Çizelge 6.2 de verilmiştir Isıl sınır şartı PEM yakıt hücresi içindeki sıcaklık dağılımını elde etmek için enerji denklemi çözülmektedir. Yakıt hücresinde üretilen ısı, katalizör tabaka yüzeyinde oluşan elektrokimyasal reaksiyonlar ve membran-elektrot birlikteliğinde elektron taşınımı nedenleriyle üretilmektedir. Isı transferi akışkan ve katı bölgeleri arasında çözülmektedir. Bu çalışmada, yakıt ve hava giriş sıcaklıkları değiştirilirken, anot ve katot terminal sıcaklıkları sabit tutulmuş ve 343,15 K olarak alınmıştır. Yakıt hücresinin terminal duvarları hariç dış yüzeyleri adyabatik olarak alınmıştır.

77 Duvar sınır şartı Duvar sınır şartı akışkan ve katı bölgeleri sınırlandırmak için kullanılmaktadır. Bu çalışmada duvar sınır şartı, yakıt hücresinin gaz kanalları giriş ve çıkış yüzeyleri hariç tüm dış yüzeyleri, gaz kanalı-akım toplayıcı plaka temas yüzeyleri ve gaz difüzyon tabakası- akım toplayıcı plaka temas yüzeyleri için tanımlanmıştır. Yakıt hücresinin dış duvarlarına uygulanan sınır koşulları aşağıdaki şekilde tanımlanmıştır: Hücre yan duvarları için sıfır akı koşulları, anot terminaline sıfır elektrik potansiyel değeri, katot terminaline sabit bir hücre potansiyel değeri atanmıştır. Anot potansiyeli ve katot terminali sabit bir potansiyel olarak açık devre voltajından daha az olarak belirlenmiştir [13,14]. Hücre sayısal alanının dış duvarlarına uygulanan sınır koşulları Şekil 6.1 de gösterilmektedir. Dış sınır şartları iki gruba ayrılır: Akımın içinden geçtiği sınırlar ve akımın içinden geçmediği sınırlar. Hiçbir protonik akımın yakıt hücresini bir dış sınırdan terk etmediği göz önüne alınırsa, membranın faz potansiyeli mem için durum; dış sınırların hepsinde sıfır akı sınır şartı olmasıdır [24]. Katı faz potansiyeli, sol için anot ve katot tarafında, dış devre ile bağlantıdaki dış sınırlar göz önüne alınır ve yakıt hücresinde üretilen elektrik akımı sadece bu sınırdan geçer. Diğer tüm dış sınırlarda sol için sıfır akı sınır şartı vardır [24] Gözenekli tabaka geçiş (Porous jump) sınır şartı Gözenekli tabaka geçiş sınır şartı, hız (basınç düşüşü) karakteristikleri bilinen ince bir membranı modellemek için kullanılmaktadır. Gözenekli tabaka geçiş sınır şartı, aslında hücre bölgeleri için kullanılabilir, gözenekli ortam modelinin bir boyutlu basitleştirilmesidir. Daha güçlü ve daha iyi yakınsama özelliği nedeniyle mümkün olduğu zaman (tam gözenekli modeli yerine) bu basit model kullanılmalıdır [24,36].

78 59 Bu ince gözenekli ortam, Darcy kanunu ve ilave atalet kaybı teriminin bileşimi olarak tanımlanan basınç değişimleri üzerinde belli bir etkiye sahiptir. Bu basınç değişimi Eş 6.42 ile ifade edilir [24,36]. p μ v C2 1 2 v2 m (6.42) Burada μ, laminar akış viskozitesini;, ortamın gözenekliliğini; C 2, basınç değişim katsayısını; v, gözenekli yüzeye dik hızı; m, ise gözenekli ortam kalınlığını göstermektedir. Bu çalışmada, gözenekli tabaka geçiş sınır şartı membran-katalizör tabakası, gaz difüzyon tabakası-katalizör tabakası ve gaz difüzyon tabakası- gaz kanalı tabakaları temas yüzeylerinde tanımlanmıştır. Matematiksel modelde kullanılan sınır şartları Çizelge 6.2 de verilmiştir [16].

79 60 Çizelge 6.2. Yakıt hücresinde tanımlanan sınır koşulları ve matematiksel ifadesi Sınır Sınır Koşulları Matematiksel İfadeler Hız bileşenleri u = 0; v = 0; w = Gaz kanalları girişi Anot; (inlet-a) Türler; Katot; (inlet-c) Sıcaklık Gaz kanalları çıkışı (outlet-a) (outlet-c) Anot Terminal (wall-terminal-a) Katot terminal (wall-terminal-c) Hücrenin Kenar yüzeyleri (wall-sides) Hücrenin Uç yüzeyleri (wall-ends) Hız bileşenleri Basınç ve Türler Sıcaklık Hız bileşenleri u = 0; v = 0; w = Sıcaklık ü Potansiyel 0 Hız bileşenleri u = 0; v = 0; w = Sıcaklık ü Potansiyel V i Hız bileşenleri u = 0 ; v = 0 ; w = Sıcaklık Potansiyel Hız bileşenleri u = 0; v = 0; w = Sıcaklık Potansiyel

80 61 7. SERPANTİN KANALLI PEM YAKIT HÜCRESİNİN SAYISAL ANALİZİ Bu bölümde üç boyutlu, serpantin kanallı ve izotermal olmayan PEM yakıt hücresi, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi kullanılarak tek fazlı ve kararlı halde analiz edilmiştir. HAD yöntemi kullanılarak yakıt hücresi analiz çalışması; geometri oluşturma, ağ yapısı oluşturma ve sınır koşullarının tanımlanması, çözücü ayarlarının yapılarak analiz yapılması olmak üzere üç temel adımda gerçekleştirilmiştir. İlk olarak analiz edilmek istenen yakıt hücresi fiziksel modeli, bilgisayar destekli çizim programı Ansys Design Modeller vasıtasıyla oluşturulmuştur. Elde edilen fiziksel model küçük boyutta elemanlara Ansys Meshing ile bölünmüş ve sınır koşulları tanımlanmıştır. Daha sonra son işlem olan çözüm metodları, işletme parametreleri ve yakınsama kriterini içeren çözücü ayarlarının tanımlanması Ansys Fluent programı aracılığıyla gerçekleştirilerek çözüm işlemi burada yapılmıştır Geometri Oluşturma Anot ve katot gaz kanalları, akım toplayıcı plakalar, gaz difüzyon tabakaları, katalizör tabakaları ve membran tabakasından oluşan fiziksel model, Ansys Design Modeller (DM) katı model çizim programı kullanılarak oluşturulmuştur (Şekil 7.1).

81 62 Şekil 7.1 PEM yakıt hücresi fiziksel modeli Bu çalışmada analiz edilen PEM yakıt hücresinin boyutları, Le ve Zhou [17] nun yapmış oldukları sayısal çalışmadan alınmış ve Çizelge 7.1 de verilmiştir. Söz konusu çalışmada verilen hücre boyutları kullanılarak serpantine kanallı PEM yakıt hücresi oluşturulmuştur (Şekil 7.2). Çizelge 7.1. PEM yakıt hücresinin geometrik boyutları [17] Parça Adı Yükseklik (mm) Genişlik (mm) Uzunluk (mm) Gaz Akış Kanalları Gaz Difüzyon Tabakaları 0, Katalizör Tabakaları 0, Membran 0, Akım Toplayıcı Tabaka Toplam Hücre 4,

82 63 Şekil 7.2. PEM yakıt hücresi fiziksel model geometrik ölçüleri [17] FLUENT programı, akışkan (fluid) bölgelerin yanı sıra katı (solid) bölgelerin modellenmesine de imkan vermektedir [24]. Oluşturulan yakıt hücresi, 9 hacim bölgesinden meydana gelmekte olup bu hacimlere verilen isimlerle birlikte özellikleri Çizelge 7.2 de verilmiştir. Çizelge 7.2 Yakıt hücresi fiziksel modelini oluşturan parçalar ve özellikleri Yakıt Hücre Parçası İsim Özellik Anot akım toplacı plaka current -a solid Anot gaz difüzyon tabakası gdl-a fluid Anot katalizör tabakası catalyst-a fluid Anot gaz akış kanalı channel-a fluid Katot akım toplacı plaka current c solid Katot gaz difüzyon tabakası gdl-c fluid Katot katalizör tabakası catalyst-c fluid Katot gaz akış kanalı channel-c fluid Membran tabakası membrane fluid

83 Ağ Yapısı Oluşturma Bu bölümde, oluşturulan yakıt hücresinin fiziksel modeli sonlu sayıda elemanlara ayrılarak çözücü için anlamlı hale getirildikten sonra sınır şartları tanımlanmıştır. FLUENT programı geometriden ziyade oluşturulan sayısal ağı tanıyarak, çözümü burada gerçekleştirir. Bu nedenle sayısal ağın kalitesi çözümün doğruluğunu büyük ölçüde etkilemektedir. Ağ yapısı, geometrinin şekline ve kullanılan analiz parametrelerine bağlıdır. Çok sayıda eleman içeren iyi bir ağ yapısı çok fazla hesaplama gücü ve zamanı gerektirirken, hassas olmayan ağ yapısı çözüm için gereken zamanı kısaltırken doğru olmayan analiz sonuçları elde edilebilmektedir. Sayısal çözümün yakınsama davranışını ve doğruluğunu sayısal ağın kalitesi etkiler, iyi bir ağ yapısı daha doğru sonuçların elde edilmesini sağlar. Çözüm için gerekli hesaplama gücü ve zaman arasındaki dengeye ağ yapısı oluşturulurken dikkat edilmelidir. Bu nedenlerle optimum sayıda elemana sahip ağ yapısının belirlenerek, analiz sonuçlarının ağ yapısından bağımsızlığının değerlendirilmesinde yarar vardır. Bu çalışmada PEM yakıt hücresine ait ağ yapısının oluşturulması (Ansys Meshing) programı aracılığıyla gerçekleştirilmiş olup elde edilen ağ yapısı Şekil 7.3 te görülmektedir. Yakıt hücresi fiziksel modeli, birçok yakıt hücresi tasarımında kullanılan uniform he agonal ve tetrahedral elemanlara ayrılmıştır.

84 65 Şekil elemendan oluşan sayısal ağ yapısı ve sınır koşulları PEM yakıt hücresine ait ağ yapısı, Şekil 7.3 te görülmekte olup elemandan oluşmaktadır. Anot ve katot akım toplayıcı plakalar ve gaz kanalları için kenar boyutlandırma yapılmıştır. Gaz difüzyon, katalizör tabakaları ve membran kalınlığını belirleyen kenarlar farklı sayıda elemanlara ayrılmıştır. Denklemlerin sayısal olarak çözülebilmesi için gerekli olan sınır koşullarının tanımlanacağı yüzeyler burada tanımlanır. Oluşturulan yüzeyler isimleriyle birlikte Çizelge 7.3 te verilmiştir.

85 66 Çizelge 7.3. Sayısal modelde tanımlanan sınır koşulları Sınır Koşulu Tanımlanan Yüzey Yüzey Adı Sınır Koşulu Anot Tarafı Gaz kanalı girişi inlet-a Kütlesel Debi Gaz kanalları çıkışı outlet-a Basınç tanımlı çıkış Terminal Duvarları wall-terminal-a Duvar sınır şartı Gaz kanalı-akım toplayıcı plaka temas yüzeyi wall-ch-a Duvar sınır şartı Gaz difüzyon tabakası-akım toplayıcı plaka temas yüzeyi wall-gdl-a Duvar sınır şartı Gaz difüzyon tabakasıkatalizör tabaka temas yüzeyi geçiş sınır şartı Gözenekli tabaka porous-catalyst-a Membran tabakası-katalizör Gözenekli tabaka porous-mem-a tabaka temas yüzeyi geçiş sınır şartı Gaz difüzyon tabakası-gaz Gözenekli tabaka porous-gdl-c kanalı temas yüzeyi geçiş sınır şartı Katot Tarafı Gaz kanalı girişi inlet -c Kütlesel debi girişi Gaz kanalları çıkışı outlet-c Basınç tanımlı çıkış Terminal duvarları wall-terminal-c Duvar sınır şartı Gaz kanalı-akım toplayıcı plaka temas yüzeyi wall-ch-c Duvar sınır şartı Gaz difüzyon tabakası-akım toplayıcı plaka temas yüzeyi wall-gdl-c Duvar sınır şartı Gaz difüzyon tabakasıkatalizör tabaka temas yüzeyi geçiş sınır şartı Gözenekli tabaka porous-catalyst-c Membran tabakası-katalizör Gözenekli tabaka porous-mem-c tabaka temas yüzeyi geçiş sınır şartı Gaz difüzyon tabakası-gaz Gözenekli tabaka porous-gdl-c kanalı temas yüzeyi geçiş sınır şartı Hücre kenar yüzeyleri wall-sides Duvar sınır şartı Hücre uç yüzeyleri wall-ends Duvar sınır şartı Sayısal ağ oluşturulduktan sonra, yapılacak analiz için sınır şartlarının tanımlanması gerekmektedir. Model üzerinde tanımlanan sınır koşulları, Şekil 7.4, Şekil 7.5 ve Şekil 7.6 da gösterilmektedir.

86 67 Şekil 7.4. Sayısal model üzerinde tanımlanan sınır koşulları Şekil 7.5. Sayısal model üzerinde tanımlanan duvar sınır koşulları

87 68 Şekil 7.6. Sayısal model üzerinde tanımlanan gözenekli tabaka geçis (Porous jump) sınır koşulları 7.3. Çözücü Ayarları Tanımlanarak Analiz İşleminin Yapılması ANSYS programı PEM yakıt hücresini simüle eden FLUENT Hesaplamalı Akışkanlar Modülünü içerir. FLUENT; sıvı akışı, ısı ve kütle transferi, türbülans, kimyasal reaksiyonlar ve çok fazlı akış modelleme için kullanılabilir ticari HAD yazılımıdır [24]. FLUENT kullanıcı tarafından oluşturulan hesaplama alanı içindeki noktalarda süreklilik, momentum ve enerji korunum denklemlerini çözer. Bununla birlikte PEM yakıt hücreleri içinde meydana gelen akış, ısı transferi, elektrokimyasal reaksiyonlar, ve diğer etkilerin (membran su taşıma ve sıvı suyun oluşumu için modeller dahil) hesaplanmasını FLUENT PEM Yakıt Hücresi Modülü (Add-on Module) kullanılarak yapılabilir. PEM yakıt hücresi modülü FLUENT in içine kullanıcı te ti ara yüzüne (define/models/addon-module) komutu kullanılarak yüklenir (TUI) [24]. Burada, PEM yakıt hücresinde gerçekleşen elektro-kimyasal ve reaktan gazların taşınım olaylarını ifade eden matematiksel model oluşturulmuştur. Bu matematiksel modele ait süreklilik, momentum, enerji, tür ve elektrik alanı içeren korunum denklemleri ve onların uygun sınır koşulları, ANSYS FLUENT 12.1 ticari programına ait PEM Yakıt Hücresi Modülü kullanılarak analiz edilmiştir. Böylece

88 69 yakıt hücresinde gerçekleşen akışkan hareketi, elektro-kimyasal reaksiyonlar, elektrik ve iyonik akımlar modellenmiştir. Sayısal ağ oluşturulduktan sonra çözücü içine aktarılması gerekir. Çözücü her hücreye eş zamanlı non-lineer denklemleri uygular ve sınır koşullarını sağlamak için gerekli çözümü belirler. Sonlu farklar, sonlu elemanlar ve spektral yöntemler olmak üzere üç ayrı sayısal çözüm tekniği vardır. FLUENT özel sonlu fark formülasyonu olan sonlu (kontrol) hacimler tekniğini kullanarak, denklem çözümlerini gerçekleştirmektedir [30]. Sonlu hacimler yönteminin çözüm algoritma ana hatları; Çözülmek istenen alanı matematiksel olarak ifade eden korunum denklemlerinin kontrol hacmi üzerinde integre edilmesi İntegre edilen korunum denklemlerinin cebirsel hale dönüştürülmesi Cebirsel denklemlerin iteratif yöntemlerle sayısal olarak çözülmesi Sonlu bir kontrol hacmi içindeki genel bir akış değişkeni nin (hız bileşeni yada entalpi) korunumu, değişkeni azaltmaya veya arttırmaya eğilimli farklı süreçler arasındaki denge olarak ifade edilebilir [30]. Kontor hacmindeki nin zamana göre değişim oranı Kontrol hacmindeki difüzyon nedeniyle deki net artış oranı Kontrol hacmindeki oluşumu HAD kodları kaynak terimlerinin yanı sıra konveksiyon ve difüzyonu ifade eden denklemler, taşınım olayları ve zamana göre değişim oranı için uygun diskritizasyon tekniklerini içermektedir [30].

89 70 Temelde yatan fiziksel olaylar karmaşık ve doğrusal değildir (non-lineer), bu nedenle iteratif çözüm yaklaşımı gereklidir. Cebirsel denklemlerin en popüler çözüm prosedürü TDMA (tri-diagonal matri algorithm) ve basınç-hız arasındaki doğru bağlantıyı sağlayan SIMPLE algoritmasıdır [30]. Eğer çözüm alanındaki basınç dağılımı bilinseydi, momentum denkleminin çözümü herhangi bir değişkenin çözümü gibi yapılabilirdi. Momentum denklemlerinin basınç terimlerini içeriyor olması ve basınç için ayrı bir denklemin bulunmamasında dolayı, momentum ve süreklilik denklemlerinin u, v, w ve P için özel metodlara ihtiyaç vardır. Bu metotlardan bir tanesi de SIMPLE (Semi Implicit Method for Pressure Linked Equations) algoritmasıdır. SIMPLE algoritmasında temel işlemler; 1. Basınç dağılımı tahmin edilir. 2. Tahmini basınç kullanılarak momentum denklemlerinden hız bileşenleri çözülür. 3. Çözülen hız bileşenlerinin süreklilik denkleminin sağlayıp sağlamadığı kontrol edilir. 4. Eğer süreklilik denklemi sağlanırsa, elde edilen hızlar doğru olup çözüm tamamlanır. Süreklilik denklemi sağlanmazsa, basınç düzeltilir ve momentum denklemlerinden hız bileşenleri tekrar çözülür. Bu işlemler yakınsama kriteri sağlanıncaya kadar tekrar edilir. Bu çalışmada, Intel (R) Core (TM)2 Duo(1,83 GHz, 2 GB RAM) özelliklerine sahip bilgisayar kullanılarak analizler yapılmıştır. Uygun sınır koşulları ile korunum denklemleri sonlu hacim yöntemi kullanılarak çözülmüştür. Yakıt hücresinin sayısal analizinde kullanılan çözüm algoritması Şekil 7.7 de verilmiştir.

90 71 Başla Hücre voltajını ayarla(0,4-0,9v) Akım yoğunluğu, kütle oranları ve debi değerlerini ayarla Gaz akış oranlarını düzelt u, v, w ve P değerlerini bulmak için süreklilik ve momentum denklemlerini çöz Kaynak terimlerini düzelt Tüm türler için tür korunum denklemlerini,enerji ve akım korunum denlemlerini çöz Bölgesel ve toplam akım yoğunluğunu hesapla Momentum, enerji ve elektrik potansiyel yakınsadı mı? Dur Yakınsak Şekil 7.7. Çözüm algoritması akış şeması [20] Sonucu karakterize eden iki önemli husus yakınsama ve ağ bağımsızlığıdır. Çözüm algoritması iteratif olup yakınsamış çözümde kalıntılar, akış özelliklerinin genel korunumunun ölçüsüdür ve çok küçüktür [30]. FLUENT programı, çözümün yakınsamasını sağlamak amacıyla türlerin, potansiyel ve doygunluk denklemleri için multigrid çevrim ayarının F-Cycle ile BCGSTAB (bi-conjugate gradient stabilized method) olarak değiştirilmesini tavsiye etmektedir [33,34].

91 72 Under-relaksiyon faktör (under relaxation factor) değeri, çözümü kontrol etmek için kullanılır. Sayısal çözümler genellikle tahmin ve kontrol algoritmaları olarak düşünülebilir. Bu çözüm denetimleri tüm simülasyonlarda kullanılmıştır. Under-relaksiyon faktör çok düşük ayarlanmışsa bu çözüm yakınsamadan önce çözümün durmasına yol açabilir. Under-relaksiyon faktör çok yüksek ayarlanırsa bu çözümleri belirli bir değer etrafında dalgalanmasına sebep olabilir ve çözüm yakınsamayabilir. Bu çalışmada kullanılan under-relaksiyon faktör değerleri Çizelge 7.4 te verilmiştir. Çizelge 7.4. under-relaksiyon faktör değerleri [33, 34] Değer Under-relaksiyon faktör Momentum 0,3 Basınç 0,7 Protonik Potansiyel 0,95 Elektrik Potansiyel 1 H 2 1 O 2 1 H 2 o 1 Su İçeriği 0,95 Residuals (kalıntı) değerlerinin izlenmesi, under-relaksiyon faktörlerinin uygun şekilde ayarlanmış olduğunu doğrulamak için gereklidir. Zamanla salınım yapan kalıntılar ile ilgili under-relaksiyon faktörünün azaltılması gerekir. Kalıntıların kontrolü yakınsamanın belirlenmesinin önemli bir parçasıdır. Çözüm yakınsadığına karar vermek için kriter, istenen sonuçların doğruluğuna bağlı olarak değişir. Eğer kalıntılar istenilenden daha fazlaysa, ağ yapısında veya simülasyon kurulumunda istemeyen fiziksel yanlışlıklar vardır. Yakınsamanın olup olmadığına karar vermek için evrensel bir ölçüt olmamakla birlikte, hem kalıntı seviyelerini değerlendirerek hem de niceliklerin değişimini

92 73 monitörden izleyerek yakınsamanın olup olmadığına karar vermek geçerli bir yoldur [35]. Bu çalışmada süreklilik denklemi, momentum denklemi (x, y ve z hızları), H 2, O 2, H 2 O konsantrasyon denklemleri, UDS-0 (elektrik potansiyeli), UDS-1 (iyonik potansiyel), UDS-3 (su içeriği) için yakınsama kriterinin 10-5 mertebesinde olduğu, enerji denklem için ise 10-6 mertebesi olarak belirlenmiştir. Geometri optimizasyon çalışması da dahil diğer yapılan analiz çalışmalarında kullanılan yakıt hücresi elektrokimyasal parametreleri Çizelge 7.5 te verilmiştir. Çizelge 7.5. PEM yakıt hücresi elektrokimyasal parametreleri Parametre Değer Birim Referans Anot Referans Akım Yoğunluğu 2465,598 A/m 2 [15] Referans Mol Konsantrasyonu 0,5465 Kmol/m 3 [11] Konsantrasyon Üssü 0,5 [17] Dönüşüm Katsayısı 2 Katot Referans Akım Yoğunluğu 1,8081x10-3 A/m 2 [15] Referans Mol Konsantrasyonu 0,00339 Kmol/m 3 [11] Konsantrasyon Üssü 1 [17] Dönüşüm Katsayısı 2 Diğer Parametreler Hidrojen Referans Diffüzitesi 11x10-5 m 2 s -1 [18] Oksijen Referans Diffüzitesi 3,2 x10-5 m 2 s -1 [18] Su Referans Diffüzitesi 7,35 x10-5 m 2 s -1 [18] Diğer Türlerin Referans Diffüzitesi 1,1x10-5 m 2 s -1 [18] Açık Devre Voltajı 1 V [18] Membran Gözenekliliği 0,5 [17] GDL Gözenekliliği 0,5 [17] Katalizör Gözenekliliği 0,5 [17] GDL Geçirgenliği 1,76 x10-11 [17] Membran Geçirgenliği 1,76 x10-11 [17] Eşdeğer Membran Ağırlığı 1,1x10 3 kg/kmol [18] Membran protonik iletim katsayısı 1 [18] Membran protonik iletim üssü 1 [18] Gaz Difüzyon Tabaka viskoz 1x10 12 m -2 [18] direnci Katalizör Tabaka viskoz direnci 1x10 12 m -2 [18]

93 74 8. HÜCRE PERFORMANSINI ETKİLEYEN PARAMETRELERİN İNCELENMESİ VE SONUÇLARIN DEĞERLENDİRİLMESİ Bu çalışma iki aşamada gerçekleştirilmiştir. Öncelikle serpantin kanallı PEM yakıt hücresi geometrik olarak optimize edilmiş daha sonra çalışma parametrelerinin yakıt hücre performansına etkisi Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi kullanılarak incelenmiştir Geometri Optimizasyonu Bu bölümde anot ve katot gaz kanalları genişliğinin ve membran kalınlığının yakıt hücre performansına etkisi incelenerek, yakıt hücresi geometrik olarak optimize edilmiştir Gaz kanal genişliğinin hücre performansına etkisi PEM yakıt hücrelerinde akış kanallarının tasarımı reaksiyon bölgesine reaktan gazı ulaşmasını ve hücre performansını etkiler. Gaz kanalı şematik olarak Şekil 8.1 de verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi gaz kanalının yüksekliği (b), genişliği ise (a) ile gösterilmiştir. Gaz akış kanalı genişliği arttığında, akım toplayıcı plakanın gaz difüzyon tabakasına temas ettiği yüzey alanının (temas alanı) azalmasıyla katalizör tabakasına doğru kütle transferi artar. Bu durumda katalizör tabakalarındaki oksijen ve hidrojen oranı daha iyi dağılım gösterir. Böylece elektro-kimyasal aktivite artar ve hücre performansı iyileşir [14,26]. Şekil 8.1 Gaz kanalı kesit görünüşü

94 75 Daha geniş bir kanal, hücre boyunca reaktanların daha düzgün dağılmasını sağlarken gaz difüzyon tabakası ve akım toplayıcı plaka arasındaki temas yüzeyinin azalmasından dolayı temas direnci artar. Geniş kanalda sınırlayıcı akım yoğunluğu kütle taşıma sınırlamaları tarafından değil, ohmik kayıplar ile belirlenir. Gaz kanalı genişliğinin artmasıyla hücreye gelen gaz hızı, diğer bütün parametreler sabitken azalır. Bu durum gaz difüzyon tabakasındaki gazların hızını azaltır ve bu bölgedeki konveksiyon yoluyla ısı transferi azalır [15]. Obayopo ve ark. [14] yaptıkları sayısal çalışmada, 6 farklı durum için gaz kanalı genişliğinin (0,6-0,8-1-1,2-1,4-1,6 mm) yakıt hücresi performansı üzerine etkisini incelemişlerdir. Bu çalışmada; gaz kanalı genişliği 1,2 mm ye kadar yakıt hücre performansı kanal genişliği ile orantılı olarak arttığı, kanal genişliği daha fazla arttığında hücre performansının azaldığı sonucu elde edilmiştir. Bu bölümde; PEM yakıt hücresinin gaz kanalı genişliği değiştirilerek, 3 farklı durum (a=0,8 mm- 1 mm- 1,2 mm) için gaz kanalı genişliğinin hücre performansına etkisi incelenmiştir. Gaz kanalı genişliği dışındaki diğer geometrik boyutlar sabit tutulmuş olup, daha önce Çizelge 7.1 de verildiği gibidir. Bu bölümde kullanılan işletme koşulları Çizelge 8.1 de verilmiştir. Çizelge 8.1. Gaz kanalı genişliğinin incelenmesinde kullanılan işletme koşulları Parametre Değer Birim Anot Girişi Basınç 3 atm Sıcaklık 343,15 K Bağıl Nem 100% - Sitokiyometrik Akış Oranı 2 Katot Girişi Basınç 3 atm Sıcaklık 343,15 K Bağıl Nem 100% - Sitokiyometrik Akış Oranı 2 Çalışma Basıncı 1 atm Anot- Katot Terminal Sıcaklığı 343,15 K Referans akım yoğunluğu 1 A/cm 2

95 76 Anot ve katot gaz kanalı giriş hızlarının belirlenmesi; PEM yakıt hücresinde, anotta hidrojen-su buharı girişi, katotta hava girişi olmak üzere iki adet giriş vardır. Anot ve katot gaz giriş hızı ve debisi, daha önce verilen Eş ve Eş kullanılarak hesaplanmıştır. Anot gaz giriş hızı ( ); 3 atm giriş basıncı, 70 giriş sıcaklığı, 1 (A/cm 2 ) referans akım yoğunluğu ve 2 stokiyometrik akış oranı değerleri alınarak şu şekilde bulunmuştur: u a,in = , , ,15 1 0, , =0,28 m s Anot hacimsel akış miktarı (U a,in), anot gaz kanalı giriş hızı (u a,in ) ve gaz kanalı kesit alanı (A ch,in ) çarpılarak elde edilmiştir: U a,in=u a,in A ch,in =0,28 m s 0,000001m 2 =2, m3 s Katot gaz giriş hızı (u c,in ); 3 atm giriş basıncı, 70 giriş sıcaklığı, 1 (A/cm 2 ) referans akım yoğunluğu ve 2 stokiyometrik akış oranı değerleri alınarak şu şekilde bulunmuştur: u c,in = , , ,15 1 0, , =0,67 m s Katot hacimsel akış miktarı (U c,in), anot gaz kanalı giriş hızı (u c,in ) ve gaz kanalı kesit alanı (A ch,in ) çarpılarak elde edilmiştir: U c,in=u c,in A ch,in =0,67 m s 0,000001m 2 =6, m3 s

96 77 EK-1 de verilen formülasyon kullanılarak, anot ve katot gaz kanalları girişindeki kütlesel akış miktarları ve reaktanların kütle kesirleri aşağıdaki gibi bulunmuştur. Çizelge 8.2. Gaz kanalı genişliğinin incelenmesinde kullanılan kütlesel akış miktarları ve kütle kesirleri Durum Anot Giriş Debisi (kg/s) Katot Giriş Debisi (kg/s) Anot Kütle Kesri Katot Kütle Kesri m an m kat y H2 y H2 O y O 2 y H2 O 1 1,1 x10-7 1,99 x10-6 0,495 0,505 0,217 0,0664 HAD analizlerinde, uygun fiziksel modelin oluşturulması ve çözüm hassasiyetinin ayarlanmasıyla birlikte, bilgisayar kapasitesine uygun olan ağ yapısı oluşturulması sağlıklı sonuçların alınmasına yardımcı olacaktır. Bu nedenle oluşturulan her bir ağ yapısı için ağ bağımsızlaştırma çalışması yapılmıştır. Bunun için Çizelge 8.3 te görüldüğü gibi 5 farklı ağ yapısı oluşturularak sonuçların ağ yapısından etkilenmediği durum belirlenmiştir. Çizelge 8.3. Ağ yapısı bağımsızlaştırma çalışması sonuçları Toplam Eleman Sayısı Akım yoğunluğu(a/cm 2 ) Akım yoğunluğu değişimi (%) Çözüm Süresi(dk) , ,7558 0, ,7578 0, ,7600 0, ,7635 0, Bilgisayar kapasitesini daha verimli kullanmak için yapılan ağ bağımsızlaştırma sonucu; 1,2 mm gaz kanalı genişliğine sahip durum için akım yoğunluğu değişiminin %0,113 olduğu eleman sayısından oluşan ağ yapısı seçilmiştir (Şekil 8.2).

97 78 Şekil ,2 mm gaz kanalı genişliğine sahip hücre için ağ yapısı Oluşturulan ağ yapısına ait sonlu boyuttaki elemanlar şekil üzerinde görülmektedir. Anot ve katot akım toplayıcı plakalar ve gaz kanalları için kenar boyutlandırma yapılmıştır. Gaz difüzyon, katalizör ve membran tabakalarının kalınlığını belirleyen kenarlar farklı sayıda elemanlara ayrılmıştır. Farklı gaz kanalı genişlikleri için oluşturulan ağ yapısı için de ağ bağımsızlaştırma yapılmıştır. Gaz kanalı genişlikleri 0,8 mm ve 1mm için en uygun ağ yapısının eleman sayıları sırasıyla ve olarak belirlenmiştir.

98 Hücre Voltajı (V) 79 Ağ yapısı oluşturulup gerekli işletme parametreleri ve sınır koşulları tanımlandıktan sonra analiz işlemi gerçekleştirilmiştir. Sınır şartı olarak katot terminaline uygulanan hücre voltajı sırasıyla 0,4-0,5-0,6-0,7-0,8 ve 0,9 V olarak değiştirilerek hücre karakteristiğini ifade eden polarizasyon eğrileri elde edilmiştir. Farklı gaz kanalı genişlikleri için elde edilen polarizasyon eğrileri Şekil 8.3 te verilmiştir. Polarizasyon eğrisinden görüldüğü gibi gaz kanalı genişliğindeki artış, hücre performansını özellikle düşük hücre voltajında etkilemiştir. Yüksek hücre voltaj değerlerinde ise hücre performansı gaz kanalı genişliği artışından etkilenmemiştir. 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,8 mm 1 mm 1,2 mm 0,0 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 Akım Yogunlugu (A/cm2) Şekil 8.3. Farklı gaz kanalı genişlikleri için polarizasyon eğrilerinin karşılaştırılması (P=3 atm, T=70 ) Şekil 8.4 te, 1 mm gaz kanalı genişliği için elde edilen sayısal sonuçlar ile Wang ve ark. [11] elde ettikleri deneysel sonuçlar karşılaştırılmış ve özellikle düşük hücre voltaj değerlerinde sonuçlar arasında farklılıklar görülmektedir. Wang ve ark. [11] yapmış oldukları deneysel çalışma 70 çalışma sıcaklığı, 3 atm basınç altında tamamen nemlendirilmiş reaktanlar kullanılarak elde edilmiş olup, özellikle ohmik kayıp ve konsantrasyon kayıp bölgelerinde bu çalışmadaki sonuçlardan sapmalar göstermiştir. Bu oluşan farklılıkların, deneylerde kullanılan yakıt hücresinin parçalarına ait yoğunluk, özgül ısı, ısıl iletkenlik ve elektriksel iletkenlik gibi fiziksel

99 Hücre Voltajı (V) 80 özelliklerin bilinmemesi ve sayısal analizlerin tek fazlı olarak yapılmasından kaynaklanmaktadır. 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Bu çalışma (1mm) Wang ve ark[11] 0,0 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 Akım Yogunlugu (A/cm2) Şekil 8.4. Gaz kanalı genişliği 1 mm için elde edilen polarizasyon eğrisinin literatürdeki sonuçla karşılaştırılması (P=3 atm, T=70 ) Şekil 8.5 üç farklı gaz kanalı genişliği için anot gaz kanalındaki hidrojen dağılımını kütle oranı cinsinden göstermektedir. Anot ve katot dış duvarları arasında 0,4 V luk gerilim farkı uygulanmıştır. Gaz kanalı girişinden (inlet-a) kanal çıkışına (outlet-a) doğru yakıt hücresi içerisinde gerçekleşen reaksiyonda hidrojen tüketildiğinden, hidrojen kütle oranı azalmaktadır. Şekil 8.5 te görüldüğü gibi gaz kanalı girişinden gaz akışı yönünde gaz kanalı genişliğine bağlı olarak farklı oranlarda azalmaktadır. Her üç gaz kanalı genişliği için kanal girişlerinde hidrojen kütle oranı 0,495 iken gaz kanalı çıkışlarında kütle oranları sırasıyla 0,150-0,149-0,148 dir.

100 81 Şekil 8.5. a) 0,8 mm b) 1mm c) 1,2 mm gaz kanalı genişlikleri için anot gaz kanallarındaki (y=3,17mm) hidrojen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V) Katot gaz kanalındaki oksijen konsantrasyon dağılımı, üç farklı gaz kanalı genişliği için Şekil 8.6 da verilmiştir. Yakıt hücre içerisinde gerçekleşen reaksiyonda tüketildiğinden, oksijen kütle oranı gaz akışı yönünde azalmaktadır. Farklı gaz kanalı genişliğine bağlı olarak oksijen miktarı farklı oranlarda azalmaktadır. Şekil 8.6. a) 0,8 mm b) 1mm c) 1,2 mm gaz kanalı genişlikleri için katot gaz kanallarındaki (y=1,5 mm) oksijen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V) Yakıt hücresi tarafından üretilen akımı hesaplamak için elektro-kimyasal reaksiyonda tüketilen oksijen miktarları kullanılmıştır. Tüketilen oksijen miktarları

101 82 FLUENT yazılımı aracılığıyla elde edilmiştir. Oksijen moleküler ağırlığı 31,9988 kg/kmol, 1 kmol oksijen başına 4 kmol elektron açığa çıkmakta olup elektron sayısı n=4 olarak alınmıştır. Son olarak Faraday sabiti 9, C kmol-elektron dir [19]. Toplam açığa çıkan elektron, yani üretilen akım miktarı Amper (A) cinsinden şu şekildedir; a=0,8 mm için I= m O 2 nf M = (3, )(4)(9, ) =4,325 A 31,9988 a=1 mm için I= m O 2 nf M = (3, )(4)(9, ) = 4,461 A 31,9988 a=1,2 mm için I= m O 2 nf M = (3, )(4)(9, ) =4,565 A 31,9988 Çizelge 8.4 te FLUENT yazılımı ile elde edilen, farklı gaz kanalı genişliğine bağlı olarak reaksiyonlarda tüketilen hidrojen, oksijen miktarları ve üretilen akım yoğunlukları verilmektedir. Akım yoğunluğu (A/cm 2 ), reaksiyonun gerçekleştiği aktif yüzey alan (MEA) 2,6 cm 2 alınarak hesaplanmıştır. Çizelge 8.4. Farklı gaz kanalı genişliğine bağlı olarak reaksiyonda tüketilen hidrojen, oksijen miktarları ve üretilen akım yoğunluğu ( 0,4 V) Gaz Kanalı genişliği (b) Tüketilen Hidrojen Miktarı (kg/s) Tüketilen Oksijen Miktarı (kg/s) Akım yoğunluğu ( A/cm 2 ) 0,8 mm 4, , ,663 1 mm 4, ,716 1,2 mm 4, , ,756 Her üç gaz kanalı genişliği için 0,4 V hücre voltajında hesaplanan akım yoğunluğu değerleri Şekil 8.7 de verilmiştir. Burada görüldüğü gibi a= 1,2 mm gaz kanalı genişliğinde a=0,8 mm ve a=1 mm ye göre bu çalışma voltajında iyileşme elde edilmiştir.

102 Akım yoğunluğu (A/cm 2 ) 83 1,76 1,75 1,74 1,73 1,72 1,71 1,7 1,69 1,68 1,67 1,66 1,65 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Gaz kanalı genişliği (mm) Şekil 8.7. Gaz kanalı genişline bağlı olarak akım yoğunluğu değişim grafiği ( 0,4 V, P=3 atm, T=70 ) Sonuç olarak, Özellikle hücre voltajı 0,6 V tan büyük olduğunda, elektrokimyasal reaksiyon oranı düşüktür. Dolayısıyla tüketilen oksijen ve hidrojen miktarı daha da azalmıştır. Bu nedenle yüksek çalışma voltajında hücre performansının gaz kanalı genişliğinden bağımsız olduğu düşünülmektedir. Hücre performansındaki artışa paralel olarak bundan sonraki hesaplamalarda a=1,2 mm gaz kanalı genişliğine sahip yakıt hücresi kullanılmıştır Membran kalınlığının hücre performansına etkisi Yakıt hücresi performansına membran kalınlığının etkisi, membran boyunca proton taşınımına direnç ile ilgilidir. Membrandaki potansiyel kayıp, membran üzerinde anot katalizör tabakasından katot katalizör tabakasına proton taşınmasına karşı oluşan dirençten kaynaklanmaktadır [27]. Bu çalışmada 3 farklı membran kalınlığı (0,05 mm - 0,079 mm - 0,108 mm) kullanılarak, membran kalınlığındaki değişimin hücre performansına etkisi incelenmiştir. Hücre voltajı olarak yani anot ve katot dış duvarları arasında 0,4 V luk

103 Hücre Voltajı (V) 84 gerilim farkı uygulanmıştır. Burada gaz kanalı genişliğinin incelenmesinde kullanılan, daha önce Çizelge 8.2 de verilen işletme parametreleri kullanılmıştır. Üç farklı membran kalınlığı için elde edilen polarizasyon eğrileri Şekil 8.8 de verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi membran kalınlığındaki artış, hücre performansını azaltmıştır. 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,108 mm 0,079 mm 0,05 mm 0,2 0,0 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 Akım Yogunlugu (A/cm2) Şekil 8.8. Farklı membran kalınlıkları ile elde edilen polarizasyon eğrileri (P=3 atm, T=70 ) Membran kalınlığındaki azalma proton tarafından alınan yolu kısaltacaktır, böylece membran direncindeki azalma potansiyel kayıpları azaltacaktır. Sonuç olarak membran kalınlığındaki azalma hücre performansının iyileştirilmesinde önemli bir rol oynayacağı değerlendirilmektedir. Şekil 8.9 üç farklı membran kalınlığı için anot gaz kanalındaki hidrojen dağılımını, kütle oranı cinsinden göstermektedir. Hücre içerisinde gerçekleşen reaksiyona bağlı olarak, gaz kanalı girişinden (inlet-a) kanal çıkışına (outlet-a) doğru hidrojen kütle oranı azalmaktadır. Membran kalınlığındaki artış, katalizör tabakada gerçekleşen elektrokimyasal reaksiyonu azaltmıştır buna bağlı olarak reaksiyonda daha az hidrojen tüketilmiştir.

104 85 Şekil 8.9. Membran kalınlığı a) 0,05 mm b) 0,079 mm c) 0,108 mm için hidrojen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V) Üç farklı membran kalınlığı için katot gaz kanalındaki (y=1,5 mm) oksijen dağılımını kütle oranı cinsinden Şekil 8.10 de verilmiştir. Membran kalınlığının artması sonucu hücre performansı azalmış buna paralel olarak reaksiyonlarda tüketilen oksijen miktarı azalmıştır. Şekil Membran kalınlığı a) 0,05 mm b) 0,079 mm c) 0,108 mm için oksijen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V)

105 86 Elektro-kimyasal reaksiyonda tüketilen oksijen miktarları kullanılarak, üretilen akım (I) miktarı Amper cinsinden hesaplanmıştır. 0,05 mm için I= m O 2 nf M = (3, )(4)(9, ) =4,565 A 31,9988 0,079 mm için I= m O 2 nf M = (2, )(4)(9, ) =2,621 A 31,9988 0,108 mm için I= m O 2 nf M = (1, )(4)(9, ) =1,758 A 31,9988 Membran kalınlığına bağlı olarak, elektrokimyasal reaksiyonlarda tüketilen hidrojen ve oksijen miktarları FLUENT yazılımı aracılığıyla elde edilmiş olup, Çizelge 8.5 te verilmiştir. Akım yoğunluğu, reaksiyonun gerçekleştiği aktif yüzey alan 2,6 cm 2 alınarak hesaplanmıştır. Çizelge 8.5. Farklı membran kalınlığına bağlı olarak reaksiyonlarda tüketilen hidrojen, oksijen miktarları ve üretilen akım yoğunluğu Membran Kalınlığı Tüketilen Hidrojen Miktarı (kg/s) Tüketilen Oksijen Miktarı (kg/s) Akım yoğunluğu ( A/cm 2 ) 0,05 mm 4, , ,756 0,079 mm 2, , ,008 0,108 mm 1, , ,676 Şekil 8.11 üç farklı membran kalınlığı için akım yoğunluğu değerlerini (A/cm 2 ) cinsinden göstermektedir (katot terminaline 0,4 V voltaj uygulanmıştır). Sonuç olarak membran kalınlığının artışı hücre performansını olumsuz etkilemiştir.

106 Akım yoğunluğu (A/cm 2 ) ,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,05 0,079 0,108 Membran kalınlığı (mm) Şekil Membran kalınlığına bağlı olarak akım yoğunluğu değişim grafiği ( 0,4 V, P=3 atm, T=70 ) 8.2. İşletme Parametrelerinin Etkisi Bu bölümde HAD yöntemiyle analiz edilen serpantin kanallı PEM yakıt hücresinde anot nemliliği, sıcaklık, basınç ve akış yönü parametrelerinin hücre performansına etkisi incelenerek, sonuçlar polarizasyon eğrisi üzerinde gösterilmiştir Anot nemliliğinin hücre performansına etkisi Membran iletkenliği çeşitli koşullar altında nemlendirme seviyelerine bağlıdır. Membranı nemli tutmak için, reaktanlar yakıt hücreleri içine gönderilmeden önce genellikle bir nemlendiriciden geçirilir. Nemlendirme dereceleri hem reaksiyon oranını hem de kütle transferini etkileyen reaktanların bağıl nemi ile ifade edilir [18]. Yakıt hücresi içerisinde yeterli nem bulunmazsa membranın özellikle anot tarafında su eksikliği görülebilir. Bu durum membranın proton iletkenliğini azaltır ve membrandaki proton taşınımına karşı olan direnci yükselir. Bu nedenle hücre performansı bu durumdan olumsuz etkilenebilir [ 11,18].

107 88 Yakıt hücresi, nem miktarı az olan hidrojen ile beslendiğinde, düşük akım yoğunluğunda, katot tarafından anot tarafına su difüzyonu hakimdir. Yüksek akım yoğunluklarında, daha fazla su elektro-ozmotik sürüklenmeye bağlı olarak katot tarafına taşınır. Katot tarafında üretilen su geri difüzyon mekanizması ile anot tarafında membranın nemlendirme ihtiyacını karşılamak için yeterli değildir. Bu nedenlerle yakıt hücresine beslenen yakıt ve oksitleyici yeterli nem miktarına sahip olmalıdır [11,18]. Anot nemliliği katot nemliliğinden daha önemli bir etkiye sahiptir. Çünkü anot tarafında membran her zaman elektro-ozmotik mekanizmaya bağlı kurumaya eğilim içindedir [18]. Bu bölümde anot nemliliğinin yakıt hücresinin performansına etkisi incelenmiştir. Katot tarafındaki hava (% 100) tamamen nemlendirilirken, anot tarafı farklı nem miktarına sahip (% 10, % 50 ve % 100) hidrojen ile beslenerek, anot nemliliğinin hücre performansına etkisi polarizasyon eğrileri ile gösterilmiştir. Farklı anot nem oranı için EK-1 de verilen formülasyona göre hesaplanan işletme parametreleri Durum-1 (%10), Durum-2 (%50) ve Durum-3 (%100) Çizelge 8.6 da verilmiştir. Değişen nem miktarına bağlı olarak anot gaz kanalına beslenen kütlesel debi miktarı değişmektedir. Diğer işletme parametreleri daha önce verilen Çizelge 8.1 deki gibidir. Çizelge 8.6. Anot nemliliği çalışmasında kullanılan işletme parametreleri Bağıl Anot Giriş Katot Giriş Anot Kütle Katot Kütle Durum Nem Debisi (kg/s) Debisi (kg/s) Kesri Kesri (%) m an m kat y H2 y H2 O y y O 2 H2 O ,5x10-8 1,99 x10-6 0,915 0,085 0,217 0, ,46x10-8 1,99 x10-6 0,674 0,326 0,217 0, ,1 x10-7 1,99 x10-6 0,495 0,505 0,217 0,0664 Hücre voltajı değiştirilerek elde edilen polarizasyon eğrileri üç farklı anot nemliliği için Şekil 8.12 de verilmiştir.

108 Hücre Voltajı (V) 89 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 10% 50% 100% 0,0 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 Akım Yogunlugu (A/cm2) Şekil Farklı anot nemliliği için polarizasyon eğrileri (P=3 atm, T=70 ) Şekil 8.12 de görüldüğü gibi, özellikle yüksek akım yoğunluğunda, nemlilik % 100 olduğunda en iyi hücre performansı elde edilmiştir. Sağlanan hidrojen nemlendirildiğinde, anot tarafında membran nemliliği iyileştiğinden proton iletkenliğinin artığı düşünülmektedir. Yüksek akım yoğunluğunda suyun elektro-osmotik sürükleme ile anottan taşınım miktarı, geri difüzyon yoluyla katottan anota taşınım miktarından fazladır. Bu nedenle membran kuruluğuna ve performan azalmasına yol açmaktadır [28]. Literatürde bulunan çalışmalarda [18,28], anot ve katot nemliliğinin hücre performansına etkisi incelenmiş olup katot nemliliği sabit tutulup, anot nemliliği artırıldığında hücre performansın arttığı sonucuna varılmıştır. Şekil 8.13 te, farklı anot nemliliği için elde edilen sayısal sonuçlar ile Yuan ve ark. [18] elde ettikleri sayısal sonuçlar karşılaştırılmış ve özellikle düşük çalışma hücre voltaj değerlerinde özellikle ohmik kayıp ve konsantrasyon kayıp bölgelerinde, literatürdeki değerden sapmalar görülmüştür.

109 Hücre Voltajı (V) 90 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Yuan ve ark. [18] -50% Yuan ve ark. [18]-100% 50% 100% 0,0 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 Akım Yogunlugu (A/cm2) Şekil Anot nemliliğinin hücre performansına etkisinin literatürdeki sonuçlarla karşılaştırılması (P=3 atm, T=70 ) Bu oluşan farklılıkların, Yuan ve ark. [18] çalışmasında yakıt hücresinin çift fazlı olarak modellenmesinin yanı sıra işletme koşullarının farklı olması (çalışma basıncı 200 kpa), hücre katmanlarına ait yogunluk, özgül ısı, ısıl iletkenlik ve elektriksel iletkenlik gibi fiziksel özelliklerin farklı olması ve kullanılan yakıt hücrelerinin farklı geometrik özellikleriyle birlikte düz kanallı düzenlemenin kullanılmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Şekil 8.14 te farklı anot nemliliği için anot gaz kanalındaki hidrojen kütle kesri dağılımları verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi hidrojen kütle oranları, gaz kanalı girişinden (inlet-a) çıkışına (outlet-a) doğru gerçekleşen reaksiyona bağlı olarak azalmaktadır. Katot terminaline 0,4 V hücre voltajı uygulanmıştır.

110 91 Şekil Anot nemliliği a) 10% b) 50% c) 100% için hidrojen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V) Şekil 8.15 te farklı anot nemliliği için katot gaz kanalındaki oksijen kütle kesri dağılımları verilmiştir. Katot nemliliği sabit (100%) tutulduğundan katot gaz kanalları girişindeki oksijen kütle oranı değişmemiştir. Burada oksijen kütle kesri 0,217 olarak tanımlanmıştır. Şekilde görüldüğü gibi oksijen kütle oranları, gaz kanalı girişinden (inlet-c) çıkışına (outlet-c) doğru gerçekleşen reaksiyona bağlı olarak azalmaktadır. Anot nemliliğinin (100%) olduğu durumda hücre performansı arttığından oksijen reaksiyonlarda daha hızlı tüketilmiştir. Şekil Anot nemliliği a) 10% b) 50% c) 100% için oksijen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V)

111 92 Farklı anot nem miktarına bağlı olarak elektrokimyasal reaksiyonlarda tüketilen oksijen miktarları, üretilen akımı (I) elde etmek için kullanılmıştır. 10% için I m O 2 nf M (3, )(4)(9, ) 31,9988 3,940 A 50% için I m O 2 nf M (3, )(4)(9, ) 31,9988 4,304 A 100% için I m O 2 nf M (3, )(4)(9, ) 31,9988 4,565 A Anot nemliğine bağlı olarak elektrokimyasal reaksiyonlarda tüketilen hidrojen ve oksijen miktarları FLUENT yazılımı ile elde edilmiş olup, Çizelge 8.7 de verilmiştir. Çizelge 8.7 Farklı anot nemliliğine bağlı olarak reaksiyonda tüketilen hidrojen, oksijen miktarları ve üretilen akım yoğunluğu ( 0,4 V) Anot Nemliği Tüketilen Hidrojen Miktarı (kg/s) Tüketilen Oksijen Miktarı (kg/s) Akım yoğunluğu ( A/cm 2 ) 10% 4, x10-8 3, x10-7 1,515 50% 4, x10-8 3, x10-7 1, % 4, x10-8 3, x10-7 1, Sıcaklığın hücre performansına etkisi Sıcaklığın yakıt hücresi performansına etkisini iyi bir şekilde modelleyebilmek için, sıcaklığın hangi parametreler üzerinde etkili olduğunun bilinmesi gerekir. Sıcaklık temelde yakıt hücresi içindeki tüm farklı taşınım olaylarını etkiler. Hücreye giren gaz akışı bileşenleri büyük ölçüde sıcaklığa bağlıdır. Giriş gazları tamamen nemlendirilmiş olduğu düşünüldüğünde, hücreye giren su buharı kısmi basıncı sadece sıcaklığa bağlıdır. Başka bir ifadeyle su buharının mol oranı, toplam giriş basıncı ve giriş sıcaklığının bir fonksiyonudur. Dolayısıyla gelen reaktan gazlarının

112 93 (hidrojen ve oksijenin) mol oranları sıcaklık ve basınca bağlıdır. Su buharı mol oranı H 2 O, aşağıda (Eş. 8.1 ) verilmiştir. H 2 O,in= P sat(t) P in (8.1) Kuru havadaki azot ve oksijen oranının (79:21) sıcaklıkla değişmediği kabul edilerek, oksijen mol oranı O 2, şu şekilde elde edilebilir; O 2,in= 1 H 2 O,in (8.2) Tüm molar oranların toplamı bire eşit olduğundan, azot gazı mol oranı N 2, aşağıdaki denklemden elde edilebilir: N 2,in=1 H2 O,in O 2,in (8.3) Anot girişi, hidrojen ve su buharı gaz karışımından oluşmakta olup hidrojen mol oranı şu şekilde ifade edilebilir: H 2,in 1 H2 O,in (8.4) Bu nedenle, sabit bir toplam basınçta nemli gaz akışı içindeki su buharı mol oranı sıcaklık ile artar. Sabit bir toplam basınçta tamamen nemlendirilmiş giriş akışı içinde, sıcaklık arttıkça anot tarafında hidrojen mol oranı ve katot tarafında oksijen mol oranı azalır. Şekil 8.16 da 3 atm reaktan giriş basıncında, katot girişindeki oksijen ve su buharının mol oranları farklı sıcaklıklarda verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi sıcaklık artığında oksijen mol oranı azalırken, su buharı mol oranı artmaktadır.

113 94 M o l O r a n ı 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 H2O Mol Oranı O2 Mol Oranı Sıcaklık(C) Şekil Oksijen ve su buharı mol oranının sıcaklık ile değişimi (katot tarafı) Şekil 8.17 de 3 atm reaktan giriş basıncında, anot girişindeki hidrojen ve su buharı mol oranlarının sıcaklıkla değişimi verilmiştir. Sıcaklık artığında hidrojen mol oranı azalırken, su buharı mol oranı artmaktadır. M o l O r a n ı 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Sıcaklık H2O Mol Oranı H2 Mol Oranı Şekil Hidrojen ve su buharı mol oranının sıcaklık ile değişimi (anot tarafı) Hücre çalışma sıcaklığı arttıkça, yakıt hücresine gaz akışı içindeki molar oksijen ve hidrojen oranı azaldığından, katalizör tabakalardaki hidrojen ve oksijen molar oranları da azalmaktadır.

114 95 Bununla birlikte, oksijen indirgenme reaksiyonu sıcaklıkla birlikte, aktivasyon kayıplarını azaltan reaksiyon kinetiğindeki iyileşme nedeniyle hızla artmaktadır. Yüksek sıcaklık membrandaki hidrojen protonlarının difüzitesini artırır, bu yüzden membran direncindeki azalma membrandaki potansiyel kayıpların azalmasını sağlar [11,22]. Bu nedenlerle sıcaklığın artışı, hücre performansını olumlu yönde etkilemektedir. Bu bölümde, çalışma basıncı sabit tutularak, anot ve katot gaz kanalı girişindeki değişen reaktan giriş sıcaklıklarının ( ) hücre performansına etkisi incelenmiştir. Bu çalışmada kullanılan işletme parametreleri Durum-1, Durum-2 ve Durum-3 Çizelge 8.8 de verilmiştir. Değişen reaktan giriş sıcaklığına bağlı olarak, anot ve katot gaz kanallarına beslenen reaktanların kütlesel debi miktarı ve kütle oranları değişmekte olup EK-1 de verilen formülasyona göre hesaplanmıştır. Diğer işletme parametreleri daha önce verilen Çizelge 8.1 ile aynı olmakla birlikte, anot ve katot stokiyometrik akış oranları 4 ve 6 olarak alınmıştır. Çizelge 8.8. Reaktan giriş sıcaklığı bağlı olarak değişen kütle akış oranları ve kütle kesirleri Durum Giriş Sıcaklığı ( ) Anot Giriş Debisi (kg/s) Katot Giriş Debisi (kg/s) Anot Kütle Kesri Katot Kütle Kesri m an m kat y H2 y H2 O y O 2 y H2 O ,18x10-7 5,97 x10-6 0,495 0,505 0,217 0, ,62 x10-7 5,67x10-6 0,377 0,623 0,208 0, ,22 x10-7 5,35x10-6 0,272 0,728 0,196 0,157 Üç farklı reaktan giriş sıcaklığı için yakıt hücresinin terminal duvarından elde edilen akım yoğunluklarını gösteren polarizasyon eğrileri Şekil 8.18 de verilmiştir. Görüldüğü gibi reaktan giriş sıcaklığın artırılmasıyla hücre performansı artmaktadır.

115 Hücre Voltajı (V) 96 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0, ,0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Akım Yogunlugu (A/cm2) Şekil 8.18 Polarizasyon eğrilerinin sıcaklıkla değişimi (P=3 atm, Bağıl Nem=%100) Şekil 8.18 de verilen polarizasyon eğrisi incelendiğinde yüksek sıcaklıklarda protonik iletkenlik, değişim akım yoğunluğu ve oksijen indirgenme reaksiyonlarındaki artış nedenleriyle hücre performansının arttığı görülmektedir. Şekil 8.19 da, Farklı gaz giriş sıcaklıkları için elde edilen polarizasyon eğrileri ile Wang ve ark. [11] tarafından elde edilmiş olan deneysel sonuçlar ve Sadiq Al- Baghdadi ve Shahad Al-Janabi [15] tarafından elde edilmiş olan sayısal sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Şekil incelendiğinde, sonuçlar arasında farklılıklar görülmektedir. Wang ve ark. [11] nın deneysel çalışması ile Baghdadi ve Shahad Al-Janabi [15] nin sayısal çalışması, 80 çalışma sıcaklığı, 3 atm çalışma basıncı altında tamamen nemlendirilmiş reaktanlar kullanılarak yapılmıştır. Bu çalışmadaki sayısal sonuçlar özellikle ohmik kayıp ve konsantrasyon kayıp bölgelerinde, deneysel ve sayısal çalışmadaki değerlerden sapmalar göstermektedir. Bu oluşan farklılıkların, Wang ve ark. [11] tarafından kullanılan yakıt hücresi bileşenlerine ait yoğunluk, özgül ısı, ısıl iletkenlik ve elektriksel iletkenlik gibi fiziksel özelliklerin farklı olması ve kullanılan yakıt hücrelerinin farklı geometrik özellikleriyle birlikte Baghdadi ve Shahad Al- Janabi [15] sayısal çalışmasında düz kanallı düzenlemenin kullanılmasından kaynaklandığı düşünülmektedir.

116 Hücre Voltajı (V) 97 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Sadiq Al-Baghdadi ve Shahad Al-Janabi [15] Wang ve ark.[11] Bu çalışma-80 0,0 0 0,5 1 1,5 2 Akım Yogunlugu (A/cm2) Şekil Reaktan giriş sıcaklığının hücre performansına etkisinin literatürdeki çalışmalarla karşılaştırılması Farklı gaz giriş sıcaklığı için anot gaz kanalındaki hidrojen kütle kesri dağılımı Şekil 8.20 de verilmiştir. Anot gaz kanalı girişlerinde sırasıyla 0,495-0,377-0,272 hidrojen kütle oranları tanımlanmıştır. Şekilde görüldüğü gibi hidrojen kütle oranları, gaz kanalı girişinden (inlet-a) çıkışına (outlet-a) doğru gerçekleşen reaksiyona bağlı olarak azalmaktadır. Şekil a) 70 b) 80 c) 90 reaktan giriş sıcaklığı için hidrojen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V)

117 98 Farklı gaz giriş sıcaklığı için katot gaz kanalındaki oksijen kütle kesri dağılımı Şekil 8.21 de verilmiştir. Katot gaz kanalı girişlerinde sırasıyla 0,217-0,208-0,196 oksijen kütle oranları tanımlanmıştır. Şekilde görüldüğü gibi oksijen kütle oranları, gaz kanalı girişinden (inlet-c) çıkışına (outlet-c) doğru gerçekleşen reaksiyona bağlı olarak azalmaktadır. Şekil a) 70 b) 80 c) 90 reaktan giriş sıcaklığı için oksijen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V) Farklı gaz giriş sıcaklığına bağlı olarak elektrokimyasal reaksiyonlarda tüketilen hidrojen ve oksijen miktarları FLUENT yazılımı ile elde edilmiş olup, Çizelge 8.9 da verilmiştir. Çizelge 8.9. Farklı reaktan giriş sıcaklığına bağlı olarak reaksiyonda tüketilen hidrojen, oksijen miktarları ve üretilen akım yoğunluğu ( 0,4 V) Gaz Giriş Sıcaklığı Tüketilen Hidrojen Miktarı (kg/s) Tüketilen Oksijen Miktarı (kg/s) Akım yoğunluğu ( A/cm 2 ) 70 3, , , , , , , , ,774

118 99 0,4 V hücre voltajında reaksiyonda tüketilen oksijen miktarları kullanılarak, hücre tarafından üretilen akım yoğunluğu Amper (A) cinsinden elde edilmiştir: 70 ç I m O 2 nf M (2, )(4)(9, ) 31,9988 3,206 A 80 için I m O 2 nf M (3, )(4)(9, ) 31,9988 4,712 A 90 için I m O 2 nf M (5, )(4)(9, ) 31,9988 7,213 A Burada reaktan giriş sıcaklığının artmasıyla hücrede üretilen akım miktarının arttığı görülmektedir Basıncın hücre performansına etkisi Hücre çalışma basıncının artması sonucu aktivasyon kayıpları azalır. Bunun nedeni, çalışma basıncının artması ile oksijen indirgeme reaksiyonu değişim akım yoğunluğunun artmasıdır. Ayrıca reaktan kısmi basınçlarının artması ile hücre teorik potansiyeli arttığından, hücre performansının artması beklenir [15,21]. Kimyasal reaksiyon hızı, hidrojen ve oksijen (hava) kısmi basıncı artması sonucu artar. Esas itibariyle, yüksek basınç, oksijen ve hidrojeni katalizör ile temas etmesi için zorlamaktadır [15,21]. Avantaj sağlamasının yanında basınç artışı, bazı sorunlara sebep olabilir: Sızdırmazlık elemanları ek gerilmelere maruz kalır. Gaz kanalları düşük basınçta daha iyi çalışır. Havanın ilave sıkıştırılması sistemin verimliliğini azaltır. Hücre çalışma basıncı, pratikte gaz akış kanalı çıkışlarına yerleştirilen geri basınç vanaları ile ayarlanmaktadır [11]. Bu çalışmada hücre çalışma basıncı 1 atm, 2 atm,

119 100 3 atm olarak değiştirilerek bu parametrenin hücre performansına etkisi incelenmiştir. Basıncın etkisi incelenirken diğer parametreler sabit tutulmuştur. Bu çalışmada kullanılan işletme parametreleri Çizelge 8.10 da verilmiştir. Çizelge Çalışma basıncının incelenmesinde kullanılan işletme parametreleri Parametre Değer Birim Anot Girişi Kütle Akış Oranı 1,1x10-7 kgs -1 H 2 Kütle Kesri 0,495 - H 2 O Kütle Kesri 0,505 - Sıcaklık 343,15 K Bağıl Nem 100% - Katot Girişi Kütle Akış Oranı 1,99x10-6 kgs -1 O 2 Kütle Kesri 0,217 - H 2 O Kütle Kesri 0, Sıcaklık 343,15 K Bağıl Nem 100% - Çalışma Basıncı 1, 2, 3 atm Açık devre voltajı 1 V Anot Terminal Sıcaklığı 343,15 K Katot Terminal Sıcaklığı 343,15 K Farklı çalışma basınçlarında elde edilen polarizasyon eğrileri Şekil 8.22 de verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi çalışma basıncının artması hücre performansını artırmıştır. Artan çalışma basıncının, reaktanların kısmi basıncını artırdığı ve reaksiyon bölgelerine daha fazla reaktanın ulaşması sağlandığı için hücre performansı artmaktadır.

120 Hücre Voltajı (V) Hücre Voltajı (V) 101 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 1 atm 2 atm 3 atm 0,0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Akım Yogunlugu (A/cm2) Şekil Farklı hücre çalışma basınçları ile elde edilen polarizasyon eğrileri (T=70, Bağıl Nem=%100) Şekil 8.23 te farklı çalışma basınçlarında (1 atm, 2 atm, 3 atm) elde edilen polarizasyon eğrileri ile Wang ve ark. [11] tarafından elde edilen deneysel sonuçlar karşılaştırılmıştır. Şekil incelendiğinde sonuçlar arasında farklılıklar görülmektedir. Bu çalışmada yakıt hücresi tek fazlı olarak modellendiğinden elektro-kimyasal reaksiyon sonucu oluşan sıvı su ihmal edilmiş bu nedenle aynı çalışma voltajında sayısal sonuçların, deneysel sonuçlardan daha yüksek çıktığı düşünülmektedir. Bu fark özellikle ohmik ve konsantrasyon kayıplarının baskın olduğu bölgelerde artmaktadır. 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Akım Yogunlugu (A/cm2) 1 atm 2 atm 3 atm Wang ve ark.[11]-1 atm Wang ve ark.[11]-2 atm Wang ve ark.[11]-3 atm Şekil Çalışma basıncının hücre performansına etkisinin literatürde bulunan çalışmalarla karşılaştırılması (T=70, Bağıl Nem=%100)

121 102 Yüksek çalışma basınçlarında bu çalışmada elde edilen polarizasyon eğrileri, deneysel çalışmada elde edilen polarizasyon eğrilerine benzer özellik göstermiştir. 1 atm çalışma basıncında bu çalışmada elde edilen hücre polarizasyon eğrisi profilinin, deneysel sonuçtan farklı olduğu görülmüştür. Yüksek çalışma basıncında ise yakıt hücre karakteristiğine uygun sonuçlar elde edildiği değerlendirilmektedir. Görüldüğü gibi, burada literatürde [11,18] bulunan çalışmalarla benzer sonuçlar elde edilmiştir. Farklı çalışma basınçlarında reaksiyonlarda tüketilen oksijen miktarları kullanılarak akım (I) miktarları elde edilmiştir. Hücre tarafından üretilen Amper cinsinden akım miktarları (I): 1 atm için I= m O 2 nf M = (3, )(4)(9, ) =4.565 A 31, atm için I= m O 2 nf M = (4, )(4)(9, ) =4,857 A 31, atm için I= m O 2 nf M = (4, )(4)(9, ) =4,995 A 31,9988 Farklı çalışma basıncına bağlı olarak elektrokimyasal reaksiyonlarda tüketilen hidrojen ve oksijen miktarları ile üretilen akım yoğunluğu Çizelge 8.11 de verilmiştir. Çizelge Çalışma basıncına bağlı olarak reaksiyonda tüketilen hidrojen, oksijen miktarları ve üretilen akım yoğunlukları Çalışma Basıncı Tüketilen Hidrojen Miktarı (kg/s) Tüketilen Oksijen Miktarı (kg/s) Akım yoğunluğu ( A/cm 2 ) 1 atm 4, , ,756 2 atm 5, , x 1,868 3 atm 5, ,141704x 1,921 Şekil 8.24, üç farklı çalışma basıncı için anot gaz kanalındaki (y=3,17 mm) hidrojen dağılımını kütle oranı cinsinden göstermektedir. Burada anot ve katot dış duvarları

122 103 arasında 0,4 V luk gerilim farkı uygulanmıştır. Gaz kanalı girişinden (inlet-a) kanal çıkışına (outlet-a) doğru yakıt hücresi içerisinde gerçekleşen reaksiyonda hidrojen tüketildiğinden, hidrojen kütle oranı azalmaktadır. Şekil a) 1 atm b) 2 atm c) 3 atm çalışma basınçları için hidrojen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V) Şekil 8.25 te katot gaz kanalındaki oksijen kütle kesri dağılımı verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi, kanal girişinden gaz akışı yönünde çalışma basıncına bağlı olarak farklı oranlarda azalmaktadır. Gaz kanalı girişlerinde hidrojen kütle oranı 0,217 tanımlanmıştır. Yüksek çalışma basınçlarında, artan reaksiyon miktarına bağlı olarak oksijen tüketiminin daha hızlı olduğu görülmektedir.

123 104 Şekil a) 1 atm b) 2 atm c) 3 atm çalışma basınçları için oksijen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V) Sonuç olarak çalışma basıncının artışı hücre performansını artırmış buna bağlı olarak elektro-kimyasal reaksiyonlarda daha fazla reaktan tüketilmiştir Reaktan akış yönünün hücre performansına etkisi Bu bölümde, gaz kanallarındaki reaktan akışlarının aynı yönlü (co-flow) ve ters yönlü (counter-flow) olduğu iki farklı durum için hesaplamalar yapılarak bu farklılığın akım yoğunluğu ve konsantrasyon değişimi üzerine etkisi incelenmiştir. Burada daha önce Çizelge 8.1 de verilen işletme koşulları kullanılarak hesaplamalar yapılmıştır. Anot akışı ve katot akışının aynı ve zıt yönlü olduğu durumlar için elde edilen polarizasyon eğrileri Şekil 8.26 da verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi reaktanların zıt yönlü olarak hücreye beslenmesi, hücre performansını özellikle düşük hücre voltajında artırmıştır.

124 Hücre Voltajı (V) 105 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 zıt yönlü akış aynı yönlü akış 0,0 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 Akım Yogunlugu (A/cm2) Şekil Farklı akış yönleri ile elde edilen polarizasyon eğrilerinin karşılaştırılması (P=3 atm, T=70 ) Hücre performansının reaktanların akış yönünden etkilendiği düşünüldüğünde, akış yönüne bağlı olarak hücre performansındaki değişim elektro-kimyasal reaksiyonlarda tüketilen reaktan miktarlarını da etkilemektedir. 0,4 V luk voltaj altında çalışan hücrede gaz kanallarındaki hidrojen ve oksijen kütle kesri dağılımı grafik halinde sunulmuştur. İki farklı akış yönü için anot gaz kanalındaki (y=3,17mm) hidrojen dağılımını kütle oranı cinsinden Şekil 8.27 de verilmiştir. Elektro-kimyasal reaksiyona bağlı olarak gaz kanalı girişinden (inlet-a) kanal çıkışına (outlet-a) doğru hidrojen kütle oranı azalmaktadır. Artan hücre performansına bağlı olarak ters akış (counter-flow) durumunda hidrojen daha hızlı tükenmektedir.

125 106 Şekil İki farklı akış yönü a) aynı yönlü akış b) zıt yönlü akış için hidrojen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V) Şekil 8.28 de iki farklı akış yönü için, katot gaz kanalındaki (y=1,5mm) oksijen kütle kesri dağılımı verilmiştir. Elektro-kimyasal reaksiyona bağlı olarak gaz kanalı girişinden (inlet-c) kanal çıkışına (outlet-c) doğru oksijen kütle oranı azalmaktadır. Artan hücre performansına bağlı olarak ters akış (counter-flow) durumunda oksijen daha hızlı tükenmektedir.

126 107 Şekil İki farklı akış yönü a) aynı yönlü akış b) zıt yönlü akış için oksijen kütle kesri dağılımı ( 0,4 V) Yakıt hücresi tarafından üretilen akımı hesaplamak için reaksiyonlarda tüketilen oksijen miktarları kullanılmıştır. Üretilen Amper cinsinden akım miktarı (I) şu şekildedir; Normal akış I= m O 2 nf M = (3, )(4)(9, ) = 4,565 A 31,9988 Ters akış I= m O 2 nf M = (3, )(4)(9, ) = 4,715 A 31,9988 Farklı gaz yönüne bağlı olarak elektrokimyasal reaksiyonlarda tüketilen hidrojen ve oksijen miktarları Çizelge 8.15 te verilmiş olup, tüketilen oksijen miktarları kullanılarak akım yoğunluğu (A/cm 2 ) elde edilmiştir.

127 108 Çizelge Farklı akış yönüne bağlı olarak reaksiyonda tüketilen hidrojen, oksijen miktarları ve üretilen akım yoğunluğu Akış Yönü Tüketilen Hidrojen Miktarı (kg/s) Tüketilen Oksijen Miktarı (kg/s) Akım yoğunluğu ( A/cm 2 ) Aynı yönlü akış (co-flow) 4, , ,756 Ters yönlü akış (counter-flow) 4, , ,813 Carcadea ve ark. [19] yaptıkları sayısal çalışmada ters akış (counter-flow) yapılanmasında, aynı yönlü akış (co-flow) yapılanmasına kıyasla daha iyi performans elde etmişlerdir. Sonuç olarak, ters yönlü (counter-flow) gaz akışında aynı yönlü (co-flow) akışa kıyasla hücre performansı daha da artmıştır Konsantrasyon, Sıcaklık, Basınç, Akım Yoğunluğu ve Hız Niceliklerin Hücre İçindeki Dağılımının İncelenmesi Bu bölümde Çizelge 8.13 te çalışma koşulları verilen durum analiz edilerek H 2, O 2 ve H 2 O konsantrasyon, sıcaklık, basınç, akım yoğunluğu ve hız niceliklerin hücre içindeki dağılımları FLUENT programı aracılığıyla elde edilerek, grafik halinde sunulmaktadır. Yakıt hücresi elektrokimyasal parametreleri için daha önce Çizelge 7.5 de verilen değerler kullanılmıştır. Hücre içindeki dağılımlar, 3 boyutlu PEM yakıt hücre fiziksel modeli üzerindeki seçilen yüzeylerde (z = mm) gösterilmiştir.

128 109 Çizelge Niceliklerin dağılımının incelenmesinde kullanılan işletme parametreleri Anot Girişi Basınç 3 atm Sıcaklık 343,15 K Bağıl Nem 100% - Sitokiyometrik Akış Oranı 2 Kütle Akış Oranı 1,1 x10-7 kgs -1 H 2 Kütle Kesri 0,495 - H 2 O Kütle Kesri 0,505 - Katot Girişi Basınç 3 atm Sıcaklık 343,15 K Bağıl Nem 100% - Sitokiyometrik Akış Oranı 2 Kütle Akış Oranı 1,99 x10-6 kgs -1 O 2 Kütle Kesri 0,217 - H 2 O Kütle Kesri 0, Çalışma Basıncı 1 atm Anot Terminal Sıcaklığı 343,15 K Katot Terminal Sıcaklığı 343,15 K Sınır şartı olarak katot terminal ve anot terminaline hücre voltajı olarak sırasıyla 0,7 V ve 0 V voltaj değeri uygulanmış, aşağıda verilen grafikler elde edilmiştir Basınç dağılımı 3 boyutlu PEM yakıt hücre fiziksel modeli üzerinde seçilen yüzeylerdeki (z = mm) basınç dağılımları Şekil 8.29 da görülmektedir. Basınç değeri, anot ve katot giriş yüzeyinden (inlet) çıkış yüzeyine (outlet) doğru azalarak çıkış sınır koşulu olarak tanımlanan atmosferik basınca eşitlenmektedir.

129 110 Şekil z = mm kesitlerinde basınç dağılımı Sıcaklık dağılımı PEM yakıt hücre fiziksel modeli üzerinde seçilen yüzeylerdeki sıcaklık dağılımları Şekil 8.30 da verilmiştir. Hücre çalışma sıcaklığı, anot ve katot taraflarında gaz giriş sıcaklıkları için sınır şartı olarak 343,15 K tanımlanmıştır. Gerçekleşen elektrokimyasal reaksiyon nedeniyle özellikle katot katalizör bölgesinde diğer bölgeler kıyasla sıcaklık yükselmekte olup, sıcaklık farkı gözlemlenmektedir. Yakıt hücresi daha yüksek akım yoğunluklarında çalıştığında, bu sıcaklık farkının daha fazla olacağı değerlendirilmektedir.

130 111 Şekil z = mm kesitlerinde sıcaklık dağılımı Akım yoğunluğu dağılımı PEM yakıt hücre fiziksel modeli üzerinde seçilen yüzeylerdeki akım yoğunluğu dağılımları (A/m 2 ) Şekil 8.31 de verilmiştir. Hücre katot terminal duvarlarında 0,7 V çalışma voltajı tanımlanmıştır. Anot tarafında gerçekleşen yükseltgenme reaksiyonu sonrası oluşan elektron, dış devre aracılığıyla katot tarafında aktarılmaktadır. Şekil 8.31 de görüldüğü üzere anottan ayrılan elektronların yoğunluğu, elektronların en yakın yoldan devreyi tamamlamak istemesi üzerine akım toplayıcı plaka kanal kenarlarında daha fazladır. Akım yoğunluğu reaksiyona bağlı olarak reaksiyon bölgesinde artmaktadır.

131 112 Şekil z = mm kesitlerinde akım yoğunluğu dağılımı Hız dağılımları Şekil de PEM Yakıt hücresi geometrisi üzerinde seçilen yüzeylerdeki hız dağılımları verilmiştir. Hız dağılımları akışın olduğu gaz akış kanallarında görülmektedir. PEM yakıt hücre modelinde akış kanalları girişine kütlesel debi giriş sınır şartı tanımlanmıştır. Anot gaz akış kanalı giriş kısmında kütlesel debi giriş sınır şartı değeri 1,1 x10-7 kg/s ve katot gaz akış kanalı giriş kısmında kütlesel debi giriş sınır şartı değeri 1,99 x10-6 kg/s olarak tanımlanmıştır.

132 113 Şekil 8.32 z = mm kesitlerinde hız dağılımı Şekil 8.33 te verilen hız ve vektörlerinin yönleri ve büyüklüklerinin dağılımları incelendiğinde, katot gaz akış kanalındaki hızın anot gaz akış kanalındaki hızdan daha yüksek olduğu görülmektedir. Gaz kanalları dönüş bölgelerinde akışın bozulduğu görülmektedir.

133 114 Şekil Anot (a) ve katot (b) gaz kanallarındaki (y=1,5) hız vektörlerinin dağılımı Hidrojen kütle kesri dağılımı Şekil 8.34 de yakıt hücresi geometrisi üzerinde seçilen yüzeylerdeki hidrojen kütle kesri dağılımları verilmiştir. Anot tarafında gerçekleşen yükseltgenme reaksiyonu nedeniyle, gaz kanalı girişinden (inlet-a) kanal çıkışına doğru (outlet-a) hidrojen kütle kesri azalmaktadır. Anot gaz kanalı girişinde sınır şartında hidrojen kütle kesri 0,495 tanımlanmıştır. Hidrojen elektrokimyasal reaksiyonda harcandığından gaz kanalı çıkışına doğru hidrojen kütle kesri değeri yaklaşık 0,35 değerine ulaşmaktadır. Anot gaz kanalları ve gaz difüzyon tabakası haricinde akım toplayıcı plakalarda ve katot tarafında hidrojen bulunmadığı görülmektedir.