işletme parametrelerinin pem tipi yakıt pili performansına

OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
İŞLETME PARAMETRELERİNİN PEM TİPİ YAKIT PİLİ
PERFORMANSINA ETKİSİNİN
DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ
Elif Eker Kahveci*, İmdat Taymaz
Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Müh. Böl., Sakarya
ÖZET
PEM yakıt pili anot ve katot tarafı için; akım toplayıcı tabaka, gaz difüzyon tabakası ve katalizör tabaka ve anot ile
katot arasında bulunan membran dahil yedi tabakadan oluşmaktadır. Yapılan deneysel çalışma ile pil sıcaklığının,
nemlendirme sıcaklığının, hidrojen debisinin ve oksijen debisinin güç yoğunluğu üzerindeki etkileri incelenmiştir.
Optimum koşullar belirlenirken Design-Expert 8.0 programı deneme sürümü altındaki Yanıt Yüzey Yöntemi (YYY)
kullanılmıştır. Deneysel çalışma sonucunda sıcaklığın PEM yakıt pilinin performansı üzerinde önemli bir etkisi olduğu
görülmüştür. Artan sıcaklıkla birlikte sistemin performansı artmıştır. Ancak belirli bir sıcaklığın üzerindeki değerde ise
performans düşmüştür.
Anahtar kelimeler: PEM yakıt pili, yanıt yüzey yöntemi, pil performansı
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE EFFECT OF OPERATION PARAMETERS ON A PEM FUEL
CELL PERFORMANCE
ABSTRACT
The PEMFC is made up of seven layers which consist the anode and cathode sides; current collector, gas diffusion
layer and catalyst layer, and the membrane between the anode and cathode. The effects of hydrogen flow rate, oxygen
flow rate, cell temperature and humidification temperature on power density is examined by the experimental study.
Design-Expert 8.0 software trial version of determining the optimum conditions Response Surface Methodology (RSM)
were used. It is found that temperature has an important effect on the performance of PEM fuel cell by the results of
experimental study. The increasing temperature increases the performance of the system increases. Even though after
exceeding a definite temperature cell performance decreases.
Keywords: PEM fuel cell, response surface methodology, cell performance
uygulamaları için gelecek vaat eden kaynağı olarak kabul
edilmektedir. Yakıt pilinin performansını etkileyen
işletme parametrelerinden (basınç, sıcaklık, bağıl nem,
debi vb.),tasarım parametrelerine (akış kanalı tipi,
geometrisi, membran, katalizör, gaz difüzyon tabakası
kalınlıkları, malzemeleri, yakıt pili yığını tipi, sayısı vb.)
kadar birçok parametrenin gerçekte ne gibi sonuçlara
neden olacağı bilgisayar ortamında simülasyonu
yapılabilmekte ve bu sonuçlar deney verileriyle
kıyaslanabilmektedir. [2]
Nguyen ve arkadaşları, PEM yakıt pilinde MEA ve
1. GİRİŞ
Yakıt pilleri; yanma olmaksızın, kullanılan yakıtın ve
oksitleyicinin
sahip
olduğu
kimyasal
enerjiyi
elektrokimyasal bir reaksiyon sonucu doğrudan elektrik
enerjisine dönüştüren cihazlardır. [1].
Proton değişim membranlı yakıt pili (PEMYP),
özellikle, yüksek verimlilik, düşük çalışma sıcaklığı,
yüksek güç yoğunluğu, düşük emisyonlu ve düşük
gürültü nedeniyle ulaşım ve sabit güç üretim
1
akış kanallarındaki su ve ısı yönetimini incelemek
amacıyla deneysel verilerin de kullanıldığı duyarlı halde,
non-izotermal, iki fazlı bir model geliştirmişlerdir. Su
konsantrasyonu, sıcaklık, kısmi basınç ve akış kanalları
boyunca akım yoğunluğu, oksijen reaksiyonlarındaki
potansiyel kayıpları ve pil verimi incelenmiştir. Gaz
kanalları boyunca katı fazdan gaz faza ısı geçişi
incelenmiştir. Sonuç olarak, özellikle suyun difüzyonun
membranın nemlendirilmesinde yetersiz kaldığı yüksek
akım yoğunluklarında ohmik kayıpların azaltılması için
giriş gazlarının nemlendirilmesinin önemli olduğunu
bulmuşlardır. [3]
Coppo ve arkadaşları, çalışmalarında, PEM yakıt
pilindeki işletme sıcaklığının etkisini incelemişlerdir. Bu
model gaz akış kanalındaki gaz akımı ve su oluşumunun
etkisinden dolayı GDL yüzeyinden yer değiştiren sıvı su
dağılımı
ve
yönetiminin
geliştirilmesinde
kullanılmaktadır. Çalışmanın önemli bir sonucu ise hem
GDL içerisindeki sıvı su transferi hem de GDL
yüzeyinden
sıvı
suyun
yer
değiştirmesi
pil
performansında etkin rol oynamasıdır. [4]
Wang ve arkadaşları, ise değişik işletme
parametrelerinin PEM yakıt pili performansı üzerine
etkisini, katot tarafında hava ve anot tarafında saf
hidrojen kullanarak, deneysel olarak araştırmışlardır.
Deneyler, farklı yakıt pili işletme sıcaklıkları, farklı katot
ve anot nemlendirme sıcaklıkları, farklı işletme
basınçlarının PEM yakıt pili performansı üzerindeki
etkisini V-I eğrileri ile göstermişlerdir. [5]
Jang ve arkadaşları su yönetimindeki sorun nedeniyle,
pil performansı üzerinde anot ve katot her iki tarafında
tepkime yakıt gazlarının giriş neminin etkilerini önemli
olduğunu göstermiştir. Sonuçlar sıvı su etkisinin özellikle
önemli olduğunu, düşük gerilim koşullarında modelleme
yapılması gerektiğini ve en iyi pil performansının daha
yüksek bir giriş bağıl nemde gerçekleştiğini göstermiştir.
[6]
Yann ve arkadaşları deneylerinde katot giriş gazı akış
hızı, katot giriş nemlendirme sıcaklık ve pil sıcaklığını
kapsayan çeşitli çalışma koşullarında, geleneksel akış
alanı ve içiçe geçmiş akış alanı kullanarak PEM yakıt
pilleri performansını incelemiştir. Deneysel sonuçlar, pil
performansının, katot giriş gazı akış hızı, pil sıcaklığının
ve katot nemlendirme sıcaklığının artması ile geliştirilmiş
olduğunu göstermiştir. [7]
Santarelli ve arkadaşları tek bir proton değişim
membranlı yakıt pili (PEMYP) kullanarak altı farklı
değişkenin( pil sıcaklığı, doygunluk ve kuru koşullarda
anot sıcaklığı, doygunluk ve kuru koşullarda katot
sıcaklığı ve reaktifler basıncı) pil performansı üzerine
etkisini incelemiştir. Daha yüksek pil sıcaklığında,
membran iletkenliği ile akım yoğunluğunun arttığını
göstermiştir. Hem anot ve katot nemlendirildiğinde,
basınç artışı için en iyi şartları sağladığını
gözlemlemişlerdir. [8]
Silva ve arkadaşları sıcaklık, metanol konsantrasyonu,
bağıl nem, hava akış hızı ve metanol akış hızının bir
fonksiyonu olarak bir doğrudan metanol yakıt pili
(DMYP) gücünü yoğunluğu bulmak için bir yanıt yüzey
yöntemi (RSM) kullanarak incelemişlerdir. Sıcaklık,
metanol konsantrasyonu, hava bağıl nem, hava akış oranı
ve metanol akış oranı olmak üzere 5 faktör seçmişler ve
36 bir dizi deney yapmışlardır. Sıcaklık, metanol
konsantrasyonu ve hava debisi yakıt hücresi güç
yoğunluğu etkileyen ana faktörler olduğu saptanmışlardır.
Güç yoğunluğu, 850 ml / dk. hava akış hızı ve yaklaşık
1.5 M metanol konsantrasyonunda, 50°C ile 90°C
aralığında sıcaklık artmasıyla birlikte artmıştır. [9]
2. YANIT YÜZEY YÖNTEMİ
Yanıt Yüzey Yöntemi (RSM), matematiksel ve
istatistiksel verileri bir arada değerlendiren bir
algoritmaya sahiptir. Endüstriyel birçok alanda
kullanılmasının yanında, son zamanlarda Ar-Ge
çalışmalarında optimum deney koşullarını belirlemek
amacıyla da kullanılmaktadır.[10]
Birçok deneysel çalışmada, istenen cevap (bağımlı
değişken y) sistem içerisinde kontrol edilebilen bağımsız
değişkenlere bağlıdır. Çoğu YYY probleminde, cevap ile
bağımsız değişken arasındaki ilişki bilinmemektedir.
Pratikte YYY’nin uygulanmasında ilk basamak cevap
(bağımlı değişken) ve işletim parametreleri (bağımsız
değişkenler)
arasında
matematiksel
bir
model
geliştirmektir. Geliştirilen yaklaşım modeli, tamamen
sistemde bağımsız değişkenlerin değiştirilmesi ile
gözlenen sonuçlardan üretilmektedir. Bu sonuçlar,
istatistiksel tekniklerin birleşiminden oluşan çoklu
regresyonla analiz edilerek bir sonuç model oluşturulur.
Regresyon ve korelasyon analizleri, optimum deney
koşullarını belirlemekte yardımcı olan istatistiksel
yöntemlerdir. Sonuç olarak oluşturulan model, proses
değişkenlerini içeren ve deney sonuçlarını temsil eden
matematiksel bir ifadedir. [11]
Bu çalışmada yanıt yüzey yöntemi kararlı durumda
çalışan bir PEMYP işletim şartlarını elde etmek için
uygulandı. Tasarım dört çalışma koşulları (hücre
sıcaklığı, hidrojen akış hızı, oksijen akış hızı ve
nemlendirme sıcaklığı) göz önünde bulundurularak
oluşturuldu. Bu değişkenlerin etkilerinin analizine ek
olarak, deney yöntemi, aynı zamanda, bir matematiksel
(kuadratik) model oluşturur;
4
4
İ=1
İ=1
2
4
4
𝑌 = 𝛽0 + � 𝛽𝑖 𝑋𝑖 + � 𝛽𝑖𝑖 𝑋𝑖 + � � 𝛽𝑖𝑗 𝑋𝑖 𝑋𝑗 + 𝑒
𝑖=1 𝑗=1+𝑖
Y yanıt değeri (güç yoğunluğu), 𝑋𝑖 terimleri ana
değişkenler(pil sıcaklığı ‘1’, hidrojen akış debisi ‘2’,
oksijen debisi ‘3’ ve nemlendirme sıcaklığı ‘4’), 𝛽𝑖 lineer
katsayı ,𝛽0 sabit katsayı, 𝛽𝑖𝑖 i değişkeni için kuadratik
katsayı , 𝛽𝑖𝑗 i ve j terimleri arasında kuadratik katsayıdır.
2
21
40.00
3.75
4.00
55.00
207
22
80.00
2.50
5.00
40.00
28
3. DENEYSEL ÇALIŞMA
23
80.00
2.50
5.00
70.00
101
Deneysel çalışmada, sıcaklık, hidrojen debisi, oksijen
debisi parametrelerinin PEM yakıt pili performansı
üzerindeki etkisi incelenmiştir. Deneyde kullanılan yakıt
hidrojendir. Yakıt pilinin, yakıt tankındaki hidrojenin ve
oksijen
nemlendirmesinin
sıcaklık
değerleri
gözlemlenmiştir. Pil sıcaklığı 40°C, 60°C ve 80°C,
oksijen ve hidrojen nemlendirme sıcaklığı 40°C, 55°C ve
70°C olacak şekilde deneyler yapılmıştır. Ayrıca hidrojen
debisi ve oksijen debisi deneyin diğer değişkenleridir.
Hidrojen debisi 2.5 L/dk., 3.75 L/dk., 5 L/dk. olarak,
oksijen debisi ise 3 L/dk., 4 L/dk., 5 L/dk. olacak şekilde
farklı kombinasyonlarda deneyler yapılmıştır. Deneylerde
bağımsız parametre olarak pil sıcaklığı, nemlendirme
sıcaklığı, katot ve anot yakıt debisi değerleri seçilmiştir.
Deneylerde, 0.6 V değerine karşılık gelen akım değeri
temel alınmıştır. Tablo 1’de Design-Expert® 8.0
tarafından tanımlanan deney düzeni verilmiştir.
24
60.00
3.75
5.00
55.00
220
25
80.00
2.50
3.00
70.00
92
Tablo 1. Deney düzeni
A.Pil
B.Hidr.
Sıcak.
Debisi
(°C)
(L/dk.)
1
60.00
5.00
C.Oksj.
Debisi
(L/dk.)
4.00
D.Nemlen.
Sıcaklığı
(°C)
55.00
Güç
(W)
3.1 Deneysel Düzenek
PEM yakıt pillerinde çeşitli değişkenlerin pil
performansına etkilerinin görülebilmesi amacıyla
TÜBİTAK MAM Enerji Enstitüsü Yakıt Pili Grubu
Laboratuvarında kurulu olan test düzeneği kullanılmıştır.
230
2
60.00
2.50
4.00
55.00
171
3
60.00
3.75
4.00
70.00
131
4
80.00
2.50
3.00
40.00
59
5
40.00
2.50
3.00
70.00
196
6
60.00
3.75
3.00
55.00
152
7
40.00
5.00
5.00
40.00
175
8
40.00
5.00
3.00
70.00
216
9
80.00
5.00
5.00
70.00
209
10
60.00
3.75
4.00
40.00
136
11
40.00
2.50
5.00
70.00
237
12
80.00
3.75
4.00
55.00
102
13
40.00
2.50
5.00
40.00
119
14
80.00
5.00
3.00
40.00
46
15
40.00
2.50
3.00
40.00
94
16
80.00
5.00
3.00
70.00
188
17
60.00
3.75
4.00
55.00
216
18
40.00
5.00
5.00
70.00
236
19
40.00
5.00
3.00
40.00
176
20
80.00
5.00
5.00
40.00
26
Şekil 1. Test sistemi
3.2 PEM Test Pili
Deneyde kullanılan PEM test pilinin akım toplayıcı
plakası Şekil 2’de, geometrik özellikleri ise Tablo’2 de
verilmiştir.
3
Şekil 2. Serpantin kanallı PEM test pili
Tablo 2. Yakıt piline ait geometrik özellikler
Büyüklük
Değer(mm)
Akış kanalı derinliği
1
Akış kanalı genişliği
1
Akış kanalı uzunluğu
50
Gaz difüzyon tabakası kalınlığı
0.270
Katalizör tabakası kalınlığı
0.020
Membran kalınlığı
0.127
Şekil 3. 40ºC Nemlendirme sıcaklığında, pil sıcaklığının
elde edilen akım yoğunluğuna etkisi
Pil performansının sıcaklık ile artmasına neden
olabilecek diğer sebep artan performans ile katotta
üretilecek olan fazla miktarda sıvı fazdaki suyun artan
sıcaklık ile azalmasıdır. Pile beslenen gazların
(nemlendirme), sıcaklığından daha düşük bir pil
sıcaklığında işletilen bir PEM yakıt pilinde su daha kolay
yoğuşur.60ºC sabit pil sıcaklığında farklı nemlendirme
sıcaklıklarının elde edilen akım yoğunluğuna etkisi Şekil
4 ’de gösterilmiştir.
4. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME
4.1 Sıcaklığın Pil Performansına Etkisi
Tek pilden oluşan PEM yakıt pili deneysel
sistemlerinde akım toplayıcı plakalara yerleştirilen
ısıtıcılar sayesinde, pil sıcaklığı çalışma esnasında istenen
işletim sıcaklığına getirilir. Pil sıcaklığının farklı
nemlendirme sıcaklıklarında yakıt pili performansına
etkileri incelenmiştir. Şekil 3’de 40ºC nemlendirme
sıcaklığında gönderilen hidrojen ve oksijenin farklı
değerlerdeki pil sıcaklığının akım yoğunluğu-pil
potansiyeli eğrisi verilmiştir. Pil çalışma sıcaklığının
artması ile yakıt pili performansı iyileşmekte, pil çalışma
sıcaklığının azalması ile birlikte yakıt pili performansı
kötüleşmektedir.
Bu
durumun
temel
nedeni
elektrokimyasal reaksiyonlara ait akım yoğunluklarının
pildeki anot ve katot kısımlarındaki katalizör
katmanlarının sıcaklığının artışı ile birlikte artması ve
bununla beraber gaz difüzyonunun da artmasıdır.
Şekil 4. 60ºC sabit pil sıcaklığında farklı nemlendirme
sıcaklıklarının elde edilen akım yoğunluğuna etkisi
Şekil 5’de Design-Expert® 8.0 tarafından tanımlanan
deney düzeni tarafından elde edilen verilerden pil ve
nemlendirme sıcaklığının güç yoğunluğu üzerine etkisi
4
görülmektedir. Burada değişkenler; pil sıcaklığı
ve nemlendirme sıcaklığı iken sabit olan değerler ise
hidrojen debisi 3.75 L/dk. , oksijen debisi 4.75 L/dk.
sıcaklığı ile başlangıçta artış gösteren güç yoğunluğu,
56ºC ve üstünde düşmeye başlamıştır. Sabit pil
sıcaklığında, nemlendirme sıcaklığı arttırıldığında güç
yoğunluğu artmaktadır. Nemlendirme sıcaklığı 60ºC’yi
geçtikten sonra ise güç yoğunluğu düşmektedir.
nin etkisi
Oksijen debisinin, pilden çekilen akım yoğunluğuna
etkisi incelenirken, anot giriş gaz debisi (H₂); 2.5L/dk. ,
nemlendirme sıcaklığı ve pil sıcaklığı sırası ile 70ºC ve
40 ºC olarak alınmıştır. Sonuç olarak Şekil 7’de giriş
gazlarından oksijen debisi arttıkça elde edilen akım
yoğunluğu artarken, yine grafiklerden anlaşılacağı üzere
pil sıcaklığının giriş gazı nemlendirme sıcaklığından
düşük olmasından kaynaklanan performans düşüklüğü
gözlemleniyor.
Şekil 5. Pil ve nemlendirme sıcaklığının güç yoğunluğu
üzerine etkisi
4.2 Giriş Gazları Debilerinin Pil Performansına
Etkisi
Besleme gazlarından hidrojen debisinin pilden çekilen
akım yoğunluğuna etkisi incelenirken; katot giriş gaz
debisi ; (O₂)5 L/dk. , nemlendirme sıcaklığı; 70ºC seçilip
pil sıcaklığında 60ºC alınmıştır. Şekil 6’da giriş
gazlarından hidrojen debisi arttıkça elde edilen akım
yoğunluğu artarken, yine grafiklerden anlaşılacağı üzere
pil sıcaklığının giriş gazı nemlendirme sıcaklığından
düşük olmasından kaynaklanan performans düşüklüğü
gözlemleniyor.
Şekil 7. 40ºC pil sıcaklığında anot giriş gaz (O₂) debisinin etkisi
Oksijen debisi ve pil sıcaklığının güç yoğunluğu
üzerine etkisi Şekil 8’de verilmiştir. Yaklaşık 60ºC’ye
kadar olan sabit pil sıcaklıklarında oksijen debisi 3.5
L/dk.’dan düşük debilerde güç yoğunluğunda düşüş
vardır. Bu değerden sonra ise durum tersine dönmekte ve
oksijen debisi arttıkça güç yoğunluğu da artmaktadır.
Fakat pil sıcaklığı 60ºC üzerine çıktığında oksijen debisi
artsa bile güç yoğunluğunda düşüşler gözlemlenmektedir.
Şekil 8. Oksijen debisi ve pil sıcaklığının güç yoğunluğu
Şekil 6. 60ºC pil sıcaklığında anot giriş gaz (H₂) debisi-
5
üzerine etkisi
“Experimental analysis of the effects of the
operating variables on the performance of a
single PEMFC”, Energy Conversion and
Management, Vol.48, No.1, pp.40–51.
9. Silva, V.B., Rouboa, A., 2012, “Optimizing the
DMFC operating conditions using a response
surface method”, Applied Mathematics and
Computation, Vol. 218, No. 12, pp. 6733–6743,.
10. Vinnings, G., Myers, R.H., 1991, “A graphical
approach for evaluating response surface designs
in terms of the mean squared error of
prediction”, Technometrics, Vol.33, No.3, pp.315326.
11. Benli,M.,2010,“Doğrudan
metanol
yakıt
pillerinde ısı ve su yönetiminin deneysel ve teorik
olarak incelenmesi”, Doktora Tezi, Sakarya
Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya.
Hidrojen debisi, oksijen debisi, pil sıcaklığı ve
gazların nemlendirme sıcaklığı, PEM yakıt pillerinde ısı
ve su yönetimi açısından önemlidir. Yapılan deneysel
çalışma ile pil sıcaklığının, nemlendirme sıcaklığının,
hidrojen debisinin ve oksijen debisinin güç yoğunluğu ve
akım yoğunluğu üzerindeki etkileri incelenmiştir.
Sıcaklığın PEM yakıt pilinin performansı üzerinde
önemli bir etkisi olduğu görülmüştür. Artan sıcaklık,
elektrokimyasal
kinetiklerini
arttırarak,
sistemin
performansının artmasını sağlamıştır. Sıcaklık artışı,
hidrojenin membrandan katot tarafına geçişini
hızlandırmıştır. Ayrıca suyun membran üzerinden anottan
katoda geçişini arttırmıştır. Katotta katalizör ve difüzyon
tabakalarındaki
su
yoğunluğunun
artmasıyla
performansta kayıplar meydana gelmiştir. Artan oksijen
debisi ile oksijen molekülleri, H+ iyonlarının
oksidasyonuna engel olmuştur. Akış kanallarını tıkayan
pil içinde biriken su, gaz difüzyon tabakası üzerinde bir
film tabakası oluşturarak difüzyon direnci meydana
getirdiğinden güç yoğunluğu azalma görülmüştür. Ancak
oksijen debisi belirli bir değeri geçtikten sonra ise,
sistemde biriken bu suyun dışarı atılması sağlandığından
güç yoğunluğunda artış meydana gelmiştir.
KAYNAKLAR
1. EG&G Technical Services, Inc., 2004, “Fuel Cell
Handbook”, Department of Energy Office of Fossil
Energy National Energy Technology Laboratory,
U.S.
2. Taymaz,I.,Benli,M.,2010,“Numerical study of
assembly pressure effect on the performance of
proton
exchange
membran
fuel
cell”,Enegy,Vol.35,No.3,pp.2134-2140.
3. Nguyen, T.V., White, R.E., 1993, “A water and
thermal management model for proton exchange
membrane fuel cells”, J. Electrochemical Soc.,
Vol.140, No.8, pp. 2178-2186.
4. Coppo, M., Siegel, N.P., Spakovsky, M.R., 2005,
“On the influence of temperature on PEM fuel
cell operation”, Journal of Power Sources, Vol.159,
No.1, pp. 560-569.
5. Wang, L., Husar, A., Zhou, T., Liu, H., 2003, “A
parametric
study
of
PEM
fuel
cell
performances”, International Journal of Hydrogen
Energy, Vol.28, No.11, pp. 1263-1272.
6. Jang, J.H., Yan,W.M., Li,H.Y., Chou,Y.C.,2006,“
Humidity of reactant fuel on the cell
performance of PEM fuel cell with baffle-blocked
flow field designs”, Journal of Power Sources,
Vol.159,No. 1, pp. 468-477.
7. Yann, M., Chen, Y., Sheng,M., Soong, Y., Chen, F.,
2006, “Effects of operating conditions on cell
performance of PEM fuel cells with conventional
or interdigitated flow field”, Journal of Power
Sources, Vol.162, No.2,pp. 1157-1164.
8. Santarelli,
M.G.,
Torchio,
M.F.,
2007,
6
7

Download Report