Numerical modeling and analyses of anisotropic diffusion and stresses in polymer electrolyte fuel cell
Polimer elektrolit yakıt hücresinde anizotropik difüzyon ve streslerin sayısal modellemesi ve analizleri
- Tez No: 473273
- Danışmanlar: PROF. DR. İLKER TARI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 140
Özet
İki boyutlu, yarı hücreli, izotermal olmayan, çok fazlı bir polimer elektrolit yakıt hücresi modeli (PEFC) geliştirildi. Model, hücreye uygulanan sıkıştırma kuvvetinin gaz taşıma özellikleri ve temas direnci üzerine etkilerini hesaba katmaktadır. Gaz difüzyon katmanlarının (GDL'ler) anizotropik yapısal ve fiziksel özelliklerinin hem düzlem içi hem de düzlem yönündeki uzaysal değişimleri göz önüne alınmaktadır. Geliştirilen mekanistik model, literatürde ilk kez, elde edilen sonuçlar voltaj-akım karakteristikleri ve kanal-kaburga akım yoğunluğu dağılımı için olan deneysel verilerle karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Hücre sıkıştırma kuvveti ve giren gazların nem oranlarına göre yerel gaz ve su konsantrasyonlarında ve akım yoğunluğu profillerinde önemli değişiklikler gözlenmiştir. Gözeneklilik ve geçirgenlik azalmasının sonucu olarak sıkıştırma kaburga altındaki sıvı doymamışlığını artırır. Sıkıştırma altında faz değişim hızı hücrede artar; kanal altındaki aşırı doygunluk derecesi artarak yoğunlaşma oranının yükselmesine neden olurken, kaburga altındaki doymamışlık derecesi artarak buharlaşma oranının yükselmesine neden olur. Membranların düşük dayanıklılığı, PEFC'lerin geniş çapta ticarileşmesinin önündeki başlıca engellerden biridir. Dayanıklılık üzerindeki şişme etkisi, PEFC'nin kalbindeki katalizör kaplı membran imalatı için en önemli zorluklardan biridir. Bu çalışmada, higrotermal döngü ve uygulanan dış kuvvet altında ve bu yüklemelerin bir kombinasyonunun uygulandığı gerçekçi koşullar altında, membranda hasara uğraması olası yerlerle ilgili bilgi sağlayan üç temel katkı sunulmuştur. Yakıt hücresi çalışması sırasında eşlenik higro-termo-mekanik yüklemelere maruz bırakılan membranın mekanik tepkisi gözlemlenmiştir. Farklı çalışma parametrelerinin etkilerinin yanı sıra membranda indüklenen yerel streslere bireysel katkıda bulunan faktörler tanımlanmıştır.
Özet (Çeviri)
A two dimensional, half-cell, non-isothermal, multi-phase model of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is developed. The model accounts for the acting clamping force on the cell with accompanying effects on gas transport properties and contact resistances. Spatial variations of anisotropic structural and physical properties of gas diffusion layers (GDLs) in both in-plane and through-plane directions are considered. The developed mechanistic model is validated by comparıng its results with the experimental data for voltage-current characteristics and channel-rib current density distribution for the first time in literature. Significant changes are observed in local gas and water concentrations as well as current density profiles with respect to cell compression and humidity ratios of entrant gases. Compression exacerbates the liquid saturation under the rib as a consequence of porosity and permeability reduction. Under compression, phase change rate increases in the cell; degree of supersaturation under the channel escalates leading to a higher condensation rate while degree of undersaturation under the rib increases leading to a higher evaporation rate. Low durability of membranes is one of the major barriers for wide spread commercialization of PEFCs. The swelling effect on durability is one of the key challenges for the fabrication of the catalyst-coated membrane at the heart of the PEFC. Presented in this study were three main contributions that provide insight into the probable locations of failure in the membrane under hygrothermal cycle and external applied force, and the realistic conditions where a combination of both these loadings were applied. Mechanical response of the membrane, subjected to conjugate hygro-thermo-mechanical loadings are observed during fuel cell operation. The effects of different operating parameters as well as individual contributing factors on the local stresses induced in the membrane are identified.
Benzer Tezler
- Modeling transient flow in fractured shale reservoirs
Çatlaklı şeyl rezervuarlarında kararsız akış modellemesi
UFUK KILIÇASLAN
Doktora
İngilizce
2021
Petrol ve Doğal Gaz MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiPetrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERHAT AKIN
- Application of meshless RBF collocation methods to neutron diffusion and transport
Ağsız RBF kollokasyon yöntemlerinin nötron difüzyon ve transportuna uygulanması
TAYFUN TANBAY
Doktora
İngilizce
2016
Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİLGE ÖZGENER
- Kapalı hacim yalıtımının yüksek sıcaklıklarda ısı geçişi ve enerji tüketimine etkisinin incelenmesi
A study for the effect of enclosure insulation material on heat transfer and energy consumption at high temperatures
EREN DİKEÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEYHAN ONBAŞIOĞLU
- Computational inelasticity of fibrous biological tissues with a focus on viscoelasticity, damage and rupture
Başlık çevirisi yok
OSMAN GÜLTEKİN
- Analysis and modeling of plastic wrinkling in deep drawing
Derin çekme işlemlerinde plastik buruşma analizi ve modellemesi
SERHAT YALÇIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. BİLGİN KAFTANOĞLU
PROF. DR. SUHA ORAL