Tezin Adı : Modelling of thermal and water management in automotive polymer electrolyte membrane fuel cell systems / Otomotiv polimer membran elektrolit yakıt hücresi sistemlerinin ısıl ve su yönetiminin modellenmesi Yazarı : Abdurrazzak AKROOT Yılı : 2014 Danışman Adı Soyadı : Dr.Özgür EKİCİ Öz : Polimer membran elektrolit (PEM) yakıt hücreleri yüksek güç yoğunlukları, düşük çalışma sıcaklıkları (60℃ - 80℃ arası) ve düşük çevresel kirlilikleri nedeniyle otomotiv uygulamaları için umut verici güç kaynaklarındandır. Membranı nemli tutarak yüksek proton iletkenliğini sağlamak, polimer membran elektrolit yakıt hücresi malzemelerinin dayanıklılığı ve yakıt hücresinin çalışma sıcaklığının kabul edilir sınırlar altında kalması için uygun su ve termal yönetim gerekmektedir. Sistemin güç çıktısı, üretilen su ve ısı miktarı ve sistem verimliliği ile ilgili olarak bilgi sağlamak; ve böylece en iyi su ve termal yönetim koşullarına ulaşmak amacıyla genel bir hesaplama yöntemi geliştirilmiştir. Bu tezde araç hızı, çalışma basıncı gibi değişkenlerin sistem bileşenlerinin boyutları, ısı ve su oluşumu, yakıt tüketimi ve verimlilik üzerindeki etkilerini anlamak üzere 90 kW PEM yakıt hücreli bir otomotiv sistemi için sistem düzeyinde, sıfır-boyutlu bir termodinamik model geliştirilmiştir. Ek olarak, güç çıkışı ve sistemin güç kayıpları 1.5 atm ve 3 atm olarak iki farklı çalışma basıncında incelenmiştir. Yakıt hücresi sisteminin modellenmesi MATLAB'da gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, 10km/saat ile 140 km/saat hız aralığında, 1.5 atm ve 3 atm çalışma basınçları için farklı sistem yapılandırmalarının gerekli olduğunu göstermektedir. Sonuçların açıkça gösterdiği üzere katodun çıkışındaki su miktarı çalışma basıncı ve hava stokiometri oranından etkilenmektedir. Yüksek çalışma basıncı nemlendirme için ihtiyaç duyulan su miktarında azalmaya neden olmaktadır. Buna karşılık, düşük çalışma basıncında, katot çıkışındaki su miktarı tepkiyenleri nemlendirmek için yetersiz kalmakta ve gerekli sıvı suyu sağlamak üzere egzozdaki su buharını yoğuşturmak için katot çıkışında bir kondensatör gerekmektedir. Sonuçlar ayrıca göstermiştir ki, yüksek çalışma basıncı radyatörde daha yüksek miktarda atık ısıya neden olmakta ve dolayısıyla radyatör boyutu büyümektedir. Abstract : Proton electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are promising power sources for automotive applications because of their high power density, low operation temperature (between 60℃ - 80℃), and lower environmental pollution. A proper water and thermal management are needed to keep the membrane humidified for high proton conductivity, durability for PEMFC materials, and to ensure the operation temperature of fuel cell stack remains under a tolerable limit. A general calculation methodology has been developed to provide information regarding the system power output, amount of water and heat products, and system efficiency, thereby assisting to achieve the best water and thermal management conditions In this thesis, a system level zero-dimensional, steady state thermodynamics model for an automotive 90 kW PEM fuel cell system has been developed to investigate the effects of various operating parameters such as vehicle speed, and operating pressure on the size of the system components, heat and water formation, fuel consumption and efficiency. Moreover the power output and power losses of the system are investigated at two different operating pressures: 1.5 atm and 3 atm. The model of the fuel cell system was implemented in MATLAB. The results show that different system configurations are needed for 1.5 atm and 3 atm operating pressures in a speed range of 10-140 km/hr. It is clear from the results that the amount of water 1 at the exit of cathode is affected by the operating pressure and air stoichiometry ratio. Higher operating pressure causes a decrease in water needed for humidification process. On the other hand, at lower operating pressure the water at the exit of cathode is not enough to humidify the reactants and a condenser at the exit of the cathode is needed to condense the water vapor at the exhaust to supply the required liquid water. The results also show that higher operating pressure causes a large amount of heat rejected in the radiator and therefore increases the size of radiator. 2