Modeling and analysis of flow and heat transfer in a large PEM fuel cell suitable for automotive applications
Büyük boyutlu otomotive uygulanabilir proton değişim membranlı yakıt hücresi ısı ve kütle transfer modellemesi ve analizi
- Tez No: 418673
- Danışmanlar: PROF. DR. SERHAT YEŞİLYURT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Kimya Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Energy, Chemical Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Termodinamik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 91
Özet
Sıfır emisyon hedefleri göz önünde bulundurulduğunda otomotiv üreticilerinin içten yanmalı motor teknolojilerinden bir adım öteye ilerlemesi gerekmektedir. Günümüz otomotiv sanayinde bu doğrultuda oluşmuş iki akım mevcuttur. Bunlar hidrojen energisi ile içten yanmalı motor teknolojisi birleştiren hibrit araç teknolojileri ve düşük hacimli motor akımlarıdır. Hibrit teknolojiler sayesinde araç üreticileri emisyon seviyelerini ciddi miktarda düşürmüş ve yüzde 80 seviyelerine kadar verimlilik sağlamayı başarmıştır. Tabii ki bu yüzde 80 verimlilik sadece hibrit teknoloji kullanılarak sağlanmamıştır. Günümüzün büyük akımlarından olan düşük hacimli motor teknolojilerinin de payı vardır. Bu düşük hacim akımı, motor hacimlerinin düşerken motor güçlerinin yükseltilmesi üzerine kuruludur. Yaklaşıl 20 yıl önce 2.0 litre hacimli bir motordan 120 beygire kadar güç üretilebilirken günümüzde otomotiv üreticileri 1.0 litre hacimli bir motordan 150 beygire kadar güç üretebilmektedirler. Gelişime bakıldığında bunlar çok iyi sonuçlar olmak ile beraber halen yakıt tüketimine ihtiyaç duyan içten yanmalı motor teknolojileri kullanıldığından sıfır emisyon hedefini sağlamak mümkün değildir. Uzun dönemde ise yakıt için hammadde gereksinimi sebebi ile yakıt fiyatlarında artışlar gözlenmesi de kaçınılmazdır. Yani içten yanmalı motor var ise, emisyon da var olacaktır. Yakıt pilleri sıfır emisyon hedeflerinin en önemli aracı olabilirler. Ulaşım amacı ile kullanılabilecek birkaç farklı yakıt pili tipi bulunmaktadır. Bunlarda ulaşım için en uygunu; hızlı çalışma süresi, çalışma sıcaklığı ve soğuk koşullarda çalışma performansına bağlı olarak Proton Değişim Membranlı yakıt hücresidir. Proton değişim membranlı yakıt hücresi sistemleri otomobiller için içten yanmalı motorlara potansiyel rakip olarak kabul edilmektedir [84]. Yakıt pilli araçlar; yüksek verimliği ve düşük karbondioksit salınımı sayesinde Avrupa otomobil şirketlerinin Avrupa Birliği emisyon sınırlarını karşılamaları adına büyük bir potansiyeli bulunmaktadır [85],[86]. Bu çalışmanın amacı, yakıt pillerinin maliyetlerini düşürmek için bir yol bulmaktır. Bunun için otomotiv uygulamalarında kullanılabilecek proton değişim membranlı yakıt hücresi tasarım ilkelerini öğrenmek de şarttır. Yakıt hücreleri; hidrojen yada konvansiyonel hidrokarbonları ile çalışan sürekli temiz enerji kaynaklarıdır. Onlar geleneksel yakıtlara göre çok daha verimli ve sessizce ; daha yüksek güç yoğunlukları ile elektirik üretirler. Yakıt pillerinin gelişmiş tasarım ve kontrolü için yakıt pili sistemlerini ve bileşenlerini daha iyi anlamak gerekmektedir bu ise ancak gerçekci yakıt pili modelleri ve analizleri gereklidir. Bu tezde 400 cm2 akış alanlı proton değişim membranlı yakıt hücresi modeli kullanılarak akışkanların ve ısı dağılımlarınnın durumu değerlendirilmiştir. Bu tasarımlarda ısı ve kütle dağılımları tahmin etmek için üç boyutlu, hesaplamalı akışkanlar dinamiğine dayalı bir metodoloji kullanılmıştır. Akış yönünü ve soğutma kanallarının etkisi de bu çalışmada seçilen akım kanallarının tasarımlarında dikkate alınmıştır.
Özet (Çeviri)
Based on the Zero Emission Vehicle (ZEV) targets, automotive manufacturers realize the necessities to develop new technologies that replace the Internal Combustion Engine (ICE). Nowadays there are two major trends in the automotive industry; First, hybrid vehicles which combine hydrogen energy with combustion energy, and second there is a down-sizing trend. By using hybrid technologies auto makers can obtain a significant drop in emission levels and the efficiencies increase up to 80%. Reaching 80% efficiency is not only achieved by using hybrid technologies. Automotive manufacturers also use different technologies such as the second mega trend: down-sizing. Engine volumes start to decrease but the horse powers of the engines keep increasing. 20 years ago a 2.0lt engine could create up to 120hp. However today, Original Equipment Manufacturers (OEM) could build an engine which can generate 150hp with a1.0lt engine volume. These are great results, but still this technology needs fuel to consume and by using ICE it is not possible to obtain ZEV. In long term this raw material requirement can cause rise in fuel costs. On the other hand, there is still ICE which means there is emission. Fuel cells (FC) can be the shining star of ZEV targets. There are several types of fuel cells that can be applicable to transportation. The most convenient type is Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cell due to its start up time, cold performance and working temperature. PEMFC systems can be a great displacement for internal combustion engines in transportation industry [84]. FC technologies have high efficiency and when they used in automotive industry they can reduce the COx emissions. This makes them a potential candidates for European auto companies to meet their voluntary carbon dioxide emission limits in the European Union [85],[86]. The objective of this work is to find a way to decrease the cost of the fuel cells. Time is necessary to obtain deep knowledge on design principles of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) which could be used in automotive applications. Fuel cells are continuous clean energy converters which run on hydrogen or conventional hydrocarbons. They produce energy much more efficiently and they process quieter than ICE systems with higher power densities. For improved design and control of FCs, better understanding of fuel cell systems and components by means of developing and simulating accurate model FC is necessary. In this thesis; combinations of simulations were carried out and the results analyzed for enhancing the understanding of distribution of flow and temperature for a 400 cm2 flow field PEMFC. A three-dimensional (3D) computational fluid dynamics (CFD) based model was used to predict heat and mass distributions of this design. The effect of flow direction and the cooling pattern on this design were also taken into account to enhance the understanding for this selected flow field design.
Benzer Tezler
- Investigating conjugate heat transfer in a square cylinder via Lattice boltzmann method
Lattice boltzmann yaklaşımıyla kare silindirde birleşik ısı transferinin incelenmesi
AANIF HUSSAIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BAYRAM ÇELİK
- Filament beslemeli 3D yazıcının nozul bölgesinin sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi ve analizi
Finite element modeling and analysis of nozzle area of filament feed 3D printer
OĞUZHAN EMRE AKBAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ATAKAN ALTINKAYNAK
- Yoğuşturucularda iki fazlı akış mekanizmalarının ve ısı geçişinin farklı eğim açılarında teorik ve deneysel analizi
Theoretical and experimental investigation of two-phase flow mechanism and heat transfer in condensers under different inclination angle
GÖKHAN ARSLAN
Doktora
Türkçe
2013
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. NURDİL ESKİN
- Zorlanmış salınımlı dikey akışta gözenekli ortamın ısı geçişine etkisinin deneysel incelenmesi
Experimental investigations on the effect of porous media on heat transfer from vertical forced oscillated fluid flow
ESRA KEŞAF
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
ÖĞR. GÖR. ERSİN SAYAR
- Basınçlı su reaktörleri U borulu buhar üreteçlerinin termo-hidrolik modellenmesi
Thermal-hydraulic analysis of U-tube steam generators for gressurized water reactors
SÜLEYMAN ÖZKAYNAK