شبیه‌سازی کوپلینگ لوله حرارتی- پیل سوختی غشا پلیمری و بررسی تأثیر پارامترهای هندسی بر عملکرد حرارتی پیل سوختی

علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک

مقاله 5، دوره 37، شماره 1 - شماره پیاپی 39، فروردین 1404، صفحه 71-90   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jacsm.2024.88572.1272

نویسندگان

ابراهیم افشاری^{* 1}؛ مهدی مرتضوی²؛ الناز زهروی¹

¹گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان.

²گروه مهندسی هوافضا، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان.

چکیده

مدیریت حرارت در پیل سوختی غشا پلیمری به منظور دستیابی به ماکزیمم دمای مناسب و توزیع دما در داخل پیل بسیار ضروری است. لوله حرارتی با ویژگی‌های منحصر به فرد و عدم مصرف توان، گزینه بسیار مناسبی برای خنک‌کاری و مدیریت حرارت پیل سوختی است. در این مقاله در گام اول، با ارایه معادلات حاکم بر لوله حرارتی به شبیه‌سازی ریاضی لوله حرارتی به صورت مجزا پرداخته شده است. در گام دوم لوله(ها) حرارتی در داخل پیل تعبیه شده است و به مدل‌سازی عددی کوپلینگ لوله حرارتی- پیل سوختی به کمک نرم افزار انسیس - فلوینت و تاثیر موقعیت تعبیه و تعداد لوله حرارتی در داخل پیل سوختی جهت خنک‌کاری آن پرداخته شده است. نتایج نشان می‌دهند که برای پیل سوختی انتخاب شده، 1 عدد لوله حرارتی مناسب نبوده (ماکزیمم دمای پیل 396 کلوین) و به 2 عدد لوله حرارتی نیاز است. با تعبیه 2 لوله به صورت متقارن با فاصله لوله‌ها از کنار پیل 25 میلیمتر و از مرکز 25میلیمتر، ماکزیمم دمای پیل برابر با 361 کلوین می‌شود که نسبت به موقعیت‌های دیگر تعبیه لوله‌ها شاهدکاهش دمای ماکزیمم در پیل سوختی هستیم. این موضوع نشان می‌دهد که جایگذاری متقارن لوله‌ها ماکزیمم دما را کاهش داد و توریع یکنواخت-تری از دما روی پیل سوختی ایجاد می‌کند.

کلیدواژه‌ها

پیل سوختی غشا پلیمری؛ خنک‌کاری؛ توزیع دما؛ لوله حرارتی

مراجع

[1]    G. Zhang, S. G. Kandlikar, “A critical review of cooling techniques in proton exchange membrane fuel cell stacks,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 37, no. 3, pp. 2412–2429, 2011. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.11.010.

[2]    E. Afshari, M. Ziaei-Rad, M.M. Dehkordi, “Numerical investigation on a novel zigzag-shaped flow channel design for cooling plates of PEM fuel cells,” Journal of the Energy Institute, vol. 90, no. 5, pp. 752-763, 2017. https://doi.org/10.1016/j.joei.2016.07.002.

[3]    B. Zohuri, Heat Pipe Design and Technology, Springer, Cham, 2011.

[4]    C. Wen, G. Huang, “Application of a thermally conductive pyrolytic graphite sheet to thermal management of a PEM fuel cell,” Journal of Power Sources, vol. 178, no. 1, pp. 132–140, 2008. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2007.12.040.

[5]    S. H. Yu, S. Sohn, J.H. Nam, C.-J.J. Kim, “Numerical study to examine the performance of multi-pass serpentine flow-fields for cooling plates in polymer electrolyte membrane fuel cells,” Journal of Power Sources, vol. 194, no. 2, pp. 697–703, 2009. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2009.06.025.

[6]    A. P. Sasmito, J. C. Kurnia, A. S. Mujumdar, “Numerical evaluation of various gas and coolant channel designs for high performance liquid-cooled proton exchange membrane fuel cell stacks,” Energy, vol. 44, no. 1, pp. 278–291, 2012. https://doi.org/10.1016/j.energy.2012.06.030.

[7]    B. Boyd, K. Hooman, “Air-cooled micro-porous heat exchangers for thermal management of fuel cells,” International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 39, no. 3, pp. 363–367, 2012. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2012.01.006.

[8]    A. Fly, R. H. Thring, “A comparison of evaporative and liquid cooling methods for fuel cell vehicles,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 41, no. 32, pp. 14217–14229, 2016. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.06.089.

[9]    S. H. Hwang, M. S. Kim, “An experimental study on the cathode humidification and evaporative cooling of polymer electrolyte membrane fuel cells using direct water injection method at high current densities,” Applied Thermal Engineering, vol. 99, pp. 635–644, 2016. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.01.091.

[10]  E. J. Choi, J. Y. Park, M. S. Kim, “A comparison of temperature distribution in PEMFC with single-phase water cooling and two-phase HFE-7100 cooling methods by numerical study,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 43, no. 29, pp. 13406–13419, 2018. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.05.056.

[11]  A. Amirfazli, S. Asghari, M. Sarraf, “An investigation into the effect of manifold geometry on uniformity of temperature distribution in a PEMFC stack,” Energy, vol. 145, pp. 141–151, 2018. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.12.124.

[12]  R. Rullière, F. Lefèvre, M. Lallemand, V. Ayel, G. Burban, C. Romestant, A. Alexandre, “Experimental study of two-phase heat spreaders for PEMFC cooling applications,” 14^th International Heat Pipe Conference (14th IHPC), Florianópolis, Brazil, 2007.

[13]  A. Faghri, Z. Guo, “Integration of heat pipe into fuel cell technology,” Heat Transfer Engineering, vol. 29, no. 3, pp. 232–238, 2008. https://doi.org/10.1080/01457630701755902.

[14]  W. Joung, T. Yu, J. Lee, “Experimental study on the loop heat pipe with a planar bifacial wick structure,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 51, no. 7-8, pp. 1573–1581, 2008. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.07.048.

[15]  A. P. Silva, R. M. Galante, P. R. Pelizza, E. Bazzo, “A combined capillary cooling system for fuel cells,” Applied Thermal Engineering, vol. 41, pp. 104–110, 2012. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2012.01.008.

[16]  J. Clement, X. Wang, “Experimental investigation of pulsating heat pipe performance with regard to fuel cell cooling application,” Applied Thermal Engineering, vol. 50, no. 1, pp. 268–274, 2013. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2012.06.017.

[17]  M. V. Oro, E. Bazzo, “Flat heat pipes for potential application in fuel cell cooling,” Applied Thermal Engineering, vol. 90, pp. 848–857, 2015. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.07.055.

[18]  N. Shirzadi, R. Roshandel, M. B. Shafii, “Integration of Miniature Heat Pipes into a Proton Exchange Membrane Fuel Cell for Cooling Applications,” Heat Transfer Engineering, vol. 38, no. 18, pp. 1595–1605, 2017. https://doi.org/10.1080/01457632.2016.1262722.

[19]  B. Huang, Q. Jian, L. Luo, X. Bai, “Research on the in-plane temperature distribution in a PEMFC stack integrated with flat-plate heat pipe under different startup strategies and inclination angles,” Applied Thermal Engineering, vol. 179, pp. 115741-115750, 2020. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.115741.

[20]  C. W. Chan, E. Siqueiros, J. Ling-Chin, M. Royapoor, A. P. Roskilly, “Heat utilisation technologies: A critical review of heat pipes,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 50, pp. 615–627, 2015. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.05.028.

[21]  A. Faghri, “Heat pipe: review, opportunities and challenges,” Frontiers in Heat Pipes, vol. 5, no. 1, pp. 11-48, 2014. https://doi.org/10.5098/FHP.5.1.

[22]  M. Ramezanizadeh, M. Alhuyi Nazari, M. Hossein Ahmadi, L. Chen, “A review on the approaches applied for cooling fuel cells,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 139, pp. 517–525, 2019. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.05.032.

[23]  E. Afshari, “Computational analysis of heat transfer in a PEM fuel cell with metal foam as a flow field,” Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, vol. 139, no. 4, pp. 2423–2434, 2020. https://doi.org/10.1007/s10973-019-08354-x.

[24]  F. Issacci, Heat Pipe Vapor Dynamics, University of California, 1990.

[25] A. P. Tetuko, B. Shabani, J. Andrews, “Thermal coupling of PEM fuel cell and metal hydride hydrogen storage using heat pipes,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 41, no. 7, pp. 4264–4277, 2016. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.12.194