NUMERICAL INVESTIGATION OF THE EFFECT OF OPERATING TEMPERATURE AND RELATIVE HUMIDITY ON THE PEM FUEL CELL PERFORMANCE

Abstract

1. ABSTRACT

In this thesis, a three-dimensional single flow channel PEM fuel-cell for 4.8 cm2 active area has been numerically investigated by using computational fluid dynamics (CFD) commercial program ANSYS-FLUENT. Required variables and boundary conditions have been defined. The essential objectives of this study are to study the impact of the Hydrogen and Oxygen relative humidity and cell operation temperature cell performance. The obtained results from the simulation have been verified with previous literature, verification results showed a good conformed to previous literature experiments.

Simulation results indicated a higher cell performance was obtained at 55℃ operating temperature where the higher current density was obtained (0.3 A/cm2), cell voltage (0.6 V) and best power output equals to (0.1 W/cm2). Also, higher cell performance was obtained at 90% relative humidity values at the anode side and maximum current density (0.9 A/cm2), cell voltage (0.2 V) and maximum power output (0.3 W), similarly, when utilizing oxygen gas with 90% relative humidity, current density (0.9 A/cm2), cell voltage (0.2 V), and maximum power output (0.3 W).

The rational reasons for this results are an increase in the cell operating temperature between (45℃-55°C), the water evaporation rates becomes greater than water production rates, leads to membrane dehydration cases in decreases in cell protonic conductivity and increase ohmic loss leads to cell performance degradation moreover, an increase in the relative humidity of the Hydrogen and Oxygen gases leads to increases in membrane water content cases in increases in cell protonic conductivity and decrease ohmic loss leads to enhance the cell performance.

ÖZET

Bu tezde, 4.8 cm2 aktif alan için üç boyutlu tek akışlı kanal PEM yakıt hücresi, sayısal akışkan dinamiği (CFD) ticari programı ANSYS-FLUENT kullanılarak sayısal olarak araştırılmıştır. Gerekli değişkenler ve sınır koşulları tanımlanmıştır. Bu çalışmanın temel amaçları Hidrojen ve Oksijen bağıl nemi ve hücre çalışma sıcaklığı hücre performansının etkisini incelemektir. Simülasyondan elde edilen sonuçlar önceki literatür ile doğrulanmıştır, doğrulama sonuçları önceki literatür deneylerine uygun olduğunu göstermiştir.

Simülasyon sonuçları, yüksek akım yoğunluğunun (0.3 A/cm2), hücre voltajının (0.6 V) ve en iyi güç çıkışının (0.1 W/cm2) olduğu 55℃ temperature çalışma sıcaklığında yüksek PEM yakıt hücresi performansının elde edildiğini gösterdi. Ayrıca, anot tarafındaki% 90 bağıl nem değerlerinde ve maksimum oksijen yoğunluğu (0.9A/cm2), hücre voltajı (0.2 V) ve maksimum güç çıkışı (0.3 W) ile benzer şekilde oksijen gazı kullanılırken daha yüksek hücre performansı elde edildi. % 90 bağıl nem, akım yoğunluğu (0.9 A/cm2), hücre voltajı (0.2 V) ve maksimum güç çıkışı (0.3 W).

Bu sonuçların rasyonel nedenleri, hücre çalışma sıcaklığında (45℃-55℃-55°C) arasında bir artış, su buharlaşma oranları su üretim oranlarından daha büyük olur, hücre protonik iletkenliğinde azalmalar ve ohm kaybının artmasıyla membran dehidratasyon vakalarına yol açar. Ayrıca, hücre performansında bozulmaya yol açar. Hidrojen ve Oksijen gazlarının bağıl nemi, hücre protonik iletkenlik artışlarında membran su içeriği vakalarında artışa yol açar ve omik kaybını azaltır PEM yakıt hücresi performansını arttırır.