Yıl: 2021 Cilt: 9 Sayı: 1 Sayfa Aralığı: 134 - 147 Metin Dili: Türkçe DOI: 10.29109/gujsc.799620 İndeks Tarihi: 29-07-2022

Stokiyometri Oranının İki Hücreli PEM Yakıt Hücresi Yığını Performansına Etkisinin İncelenmesi

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

Investigation of the Effect of Stoichiometry Ratio on Two-Cell PEM Fuel Cell Stack Performance

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

Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık
  • [1] Çelik, S. (2018). Akış Kanalı Tasarımının PEM Yakıt Pili Performansına Etkilerinin İncelenmesi. Niğde Ömer Halis Demir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 7(1), 407-416.
  • [2] Barbir, F. (2005). Introduction. PEM Fuel Cells Theory and Practice, Elsevier Academic Press, London, 17-30.
  • [3] Bilgili M., Bosomoui M., Tsotridis G. (2015). Gas flow field with obstacle for PEM fuel cells at different operating conditions. International Journal of Hydrogen Energy, 40(5), 2303-2311.
  • [4] Bilgili, M. (2019). İki Hücreli PEM Yakıt Pili Yığının Sayısal Analizi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 7 (4) , 999-1011.
  • [5] Bilgili M. ve Sivrioğlu M. (2016). PEM Yakıt Pilinin Değişik Membran Elektrot Çifti Kalınlıklarında ve Farklı Çalışma Basıncı Koşullarında Üç Boyutlu Sayısal Analizi, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 31 (1).
  • [6] Eker Kahveci̇, E. ve Taymaz, İ. (2013). Akış Kanalı Genişliğinin PEM Tipi Yakıt Hücresi Performansına Etkisinin İncelenmesi. Sakarya University Journal of Science, 17 (2), 195-200.
  • [7] J. Zhang, J. Wu, H. Zhang. (2013). PEM Fuel Cell Testing and Diagnosis, Elsevier.
  • [8] Kahraman, H., Çevik, I., Coşman, S. (2014). Sıkıştırma Basıncının PEM Yakıt Pili Performansına Etkisi. 2. Uluslararası Mühendislik ve Bilim Alanında Yenilikçi Teknolojiler Sempozyumu, Karabük, 1008-1015.
  • [9] Mahreni, Mohamad, A. B., Khadum, A. A. H., Daud, W. R. W. (2011). Nanocomposite electrolyte for PEMFC Application. Advances in Nanocomposites: Synthesis, Characterization and Industrial Applications, 263.
  • [10] Santarelli, M. G., Torchio, M. F., Calı, M., Giaretto, V. (2007). Experimental analysis of cathode flow stoichiometry on the electrical performance of a PEMFC stack. International journal of hydrogen energy, 32(6), 710-716.
  • [11] Özdoğan, M., Namlı, L., Durmuş, A. (2016). PEM Yakıt Hücrelerinde Geometrik Boyutların Hücre Performansı Üzerine Etkilerinin Sayısal İncelenmesi. Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 7 (2) , 116-124.
  • [12] Sedighizadeh, M., Rezazadeh, A., Khoddam, M., Zarean, N. (2011). Parameter optimization for a PEMFC model with particle swarm optimization. International Journal of Engineering and Applied Sciences, 3(1), 102-108.
  • [13] Şenol, R., Üçgül, İ., Acar, M. (2006). Yakıt Pili Teknolojisindeki Gelişmeler Ve Taşıtlara Uygulanabilirliğinin İncelenmesi. Mühendis ve Makina, 47(563), 37-50.
  • [14] Taner, T., Eroğlu, L. (2008). Geleceğin Enerjisi Proton Değişimli Membran Yakıt Pilinde Su Yönetiminin Önemi, VII. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, UTES’2008, İstanbul, 735-741.
  • [15] Yan, Q., Toghiani, H., Causey, H. (2006). Steady state and dynamic performance of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) under various operating conditions and load changes. Journal of Power Sources, 161(1), 492-502.
  • [16] Yılmaz, A., Ünvar, S., Ekmen, M., Aydın, S.(2017). Yakıt Pili Teknolojisi. Technological Applied Sciences, 12 (4) , 185-192.
  • [17] Adam Polak, Grzegorz Grzeczka & Tomasz Piłat (2017) Influence of cathode stoichiometry on operation of PEM fuel cells’ stack supplied with pure oxygen, Journal of Marine Engineering & Technology, 16:4, 283-290, DOI: 10.1080/20464177.2017.1381061
  • [18] Tatyana V. Reshetenkoa, Guido Bender, Keith Bethune, Richard Rocheleau (2011), Systematic study of back pressure and anode stoichiometry effects on spatial PEMFC performance distribution, Electrochimica Acta, 56, 8700– 8710.
  • [19] Bosung Kim, Dowon Cha, Yongchan Kim (2015) The effects of air stoichiometry and air excess ratio on the transient response of a PEMFC under load change conditions, Applied Energy, 138, 143–149.
  • [20] Sunhoe Kim, S. Shimpalee, J.W. Van Zee (2004) The effect of stoichiometry on dynamic behavior of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) during load change, Journal of Power Sources, 135, 110–121.
  • [21] Zirong Yang, Qing Du, Zhiwei Jia, Chunguang Yang, Kui Jiao, (2019) Effects of operating conditions on water and heat management by a transient multi-dimensional PEMFC system model, Energy, 183, 462-476.
APA CELLEK M, BILGILI M (2021). Stokiyometri Oranının İki Hücreli PEM Yakıt Hücresi Yığını Performansına Etkisinin İncelenmesi. , 134 - 147. 10.29109/gujsc.799620
Chicago CELLEK Muhammed Salih,BILGILI MUHITTIN Stokiyometri Oranının İki Hücreli PEM Yakıt Hücresi Yığını Performansına Etkisinin İncelenmesi. (2021): 134 - 147. 10.29109/gujsc.799620
MLA CELLEK Muhammed Salih,BILGILI MUHITTIN Stokiyometri Oranının İki Hücreli PEM Yakıt Hücresi Yığını Performansına Etkisinin İncelenmesi. , 2021, ss.134 - 147. 10.29109/gujsc.799620
AMA CELLEK M,BILGILI M Stokiyometri Oranının İki Hücreli PEM Yakıt Hücresi Yığını Performansına Etkisinin İncelenmesi. . 2021; 134 - 147. 10.29109/gujsc.799620
Vancouver CELLEK M,BILGILI M Stokiyometri Oranının İki Hücreli PEM Yakıt Hücresi Yığını Performansına Etkisinin İncelenmesi. . 2021; 134 - 147. 10.29109/gujsc.799620
IEEE CELLEK M,BILGILI M "Stokiyometri Oranının İki Hücreli PEM Yakıt Hücresi Yığını Performansına Etkisinin İncelenmesi." , ss.134 - 147, 2021. 10.29109/gujsc.799620
ISNAD CELLEK, Muhammed Salih - BILGILI, MUHITTIN. "Stokiyometri Oranının İki Hücreli PEM Yakıt Hücresi Yığını Performansına Etkisinin İncelenmesi". (2021), 134-147. https://doi.org/10.29109/gujsc.799620
APA CELLEK M, BILGILI M (2021). Stokiyometri Oranının İki Hücreli PEM Yakıt Hücresi Yığını Performansına Etkisinin İncelenmesi. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 9(1), 134 - 147. 10.29109/gujsc.799620
Chicago CELLEK Muhammed Salih,BILGILI MUHITTIN Stokiyometri Oranının İki Hücreli PEM Yakıt Hücresi Yığını Performansına Etkisinin İncelenmesi. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji 9, no.1 (2021): 134 - 147. 10.29109/gujsc.799620
MLA CELLEK Muhammed Salih,BILGILI MUHITTIN Stokiyometri Oranının İki Hücreli PEM Yakıt Hücresi Yığını Performansına Etkisinin İncelenmesi. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, vol.9, no.1, 2021, ss.134 - 147. 10.29109/gujsc.799620
AMA CELLEK M,BILGILI M Stokiyometri Oranının İki Hücreli PEM Yakıt Hücresi Yığını Performansına Etkisinin İncelenmesi. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji. 2021; 9(1): 134 - 147. 10.29109/gujsc.799620
Vancouver CELLEK M,BILGILI M Stokiyometri Oranının İki Hücreli PEM Yakıt Hücresi Yığını Performansına Etkisinin İncelenmesi. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji. 2021; 9(1): 134 - 147. 10.29109/gujsc.799620
IEEE CELLEK M,BILGILI M "Stokiyometri Oranının İki Hücreli PEM Yakıt Hücresi Yığını Performansına Etkisinin İncelenmesi." Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 9, ss.134 - 147, 2021. 10.29109/gujsc.799620
ISNAD CELLEK, Muhammed Salih - BILGILI, MUHITTIN. "Stokiyometri Oranının İki Hücreli PEM Yakıt Hücresi Yığını Performansına Etkisinin İncelenmesi". Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji 9/1 (2021), 134-147. https://doi.org/10.29109/gujsc.799620