Hava soğutmalı bir pem yakıt pilinin bir boyutlu ve üç boyutlu termal analizi

Hidrojen temiz, yenilenebilir bir enerji kaynağıdır ve iklim değişikliği, küresel ısınma gibi çevre sorunlarının çözümünde geleneksel fosil yakıtların yerine kullanılabilir. Hidrojen tüketen yakıt pilleri, karbon emisyonu olmadan su açığa çıkararak elektrik ürettikleri için çevre dostu sistemler olarak bilinir. Proton Değişim Membranlı (PEM) yakıt pilleri, düşük çalışma sıcaklıkları, yüksek güç yoğunlukları ve kompakt olmaları sayesinde önemli bir potansiyele sahiptir. PEM yakıt hücresi sisteminin verimliliği türüne ve çalışma sıcaklığına bağlı olmakla birlikte genel olarak diğer hidrokarbon yakıt bazlı sistemlere göre daha yüksektir. Bir PEM yakıt hücresinin verimliliği hücre sıcaklığıyla ilişkilidir ve bu nedenle yüksek sistem verimliliğini sürdürmek için termal yönetim çok kritiktir. PEM yakıt hücrelerinin termal davranışının matematiksel modellenmesi, sistem verimliliğinin yönetimi için önemlidir. Bu çalışmada, bir güç ölçere bağlı olan ve değişken akım taleplerinde çalıştırılan yakıt pili yığınının toplam ısı üretimi hesaplanarak tek bir hücrenin davranışı bir boyutlu ve üç boyutlu olarak modellenmiştir. Bir boyutlu termal model, termodinamik ısı üretim hesaplama yöntemini kullanarak farklı akım talepleri altında hücrede oluşan maksimum sıcaklığı tespit etmiştir. Üç boyutlu termal model ise, hücrenin geometrik detaylarının da modellenmesini içererek farklı akım taleplerinin, ortam sıcaklığındaki değişimin ve konveksiyon ısı transfer katsayısındaki değişikliğin maksimum hücre sıcaklığına etkisini incelemiştir. Bir boyutlu termal modelin oluşturulması için MATLAB/Simulink programı, üç boyutlu termal model için ANSYS kullanılmıştır. SpaceClaim kullanılarak yakıt pili hücresi tasarlanmıştır. Ayrıca, model sonuçlarını deneysel sonuçlarla karşılaştırmak için bir deneysel test düzeneği tasarlanmış ve deneysel çalışma yapılmıştır. Horizon H-500XP yakıt pili kullanılmıştır. Maksimum hücre sıcaklığı sonuçları, deneysel test sonuçları ile bir boyutlu termal model arasında %5 ile %6,7 arasında bir fark oluşturmuş, deneysel test sonuçları ile üç boyutlu termal model arasında ise %3,1 ile %9,1 arasında değişen bir fark oluşturmuştur. Akım talebindeki artış ve ortam sıcaklığındaki artışın hücre sıcaklığını önemli bir şekilde artırdığı tespit edilmiştir. Konveksiyon ısı transfer katsayısındaki değişim sonucu oluşan maksimum hücre sıcaklığı farklarının akım talebi arttıkça arttığı gözlenmiştir.