Thermal management of PEMFC is a key to ensure high cell performance and efficiency. Heat and water are the sole byproducts of the electrochemical reactions in fuel cells. The irreversibility of electrochemical reactions and joule heating are the most important factors causing heat generation inside PEM fuel cells. In addition, the kinetics of electrochemical reactions directly depends on the operating temperature. The temperature distribution in the cell has a strong impact on the cell performance. It influences the water distribution by means of condensation and affects the multi component gas diffusion transport characteristics through thermo capillary forces and thermal buoyancy. Excessive local cell temperature due to insufficient or non-effective cell cooling may cause membrane dehydration, shrinking or even rupture. Hence, thermal and water management issues are strongly coupled and they have a direct impact on cell performance.
Thermal management includes the removal of the generated heat from inside the cell to the outside or to the surroundings. Further, a temporally and spatially uniform temperature distribution must be provided, in order to avoid hot spots in the membrane. The pumping power required for the coolant circulation has to be minimized for system optimization in order to ensure high overall cell efficiency. Therefore, pressure drop must be minimized while maximizing the heat transfer capability at the same time. The method employed to remove heat from the fuel cell stack depends on its size. Daugherty et al. [1] studied fuel cells of less than 100 W of capacity and used air convection to cool the cells and provide sufficient air flow to evaporate the water without using any fan. However, higher capacity fuel cell stacks requires cooling circuit that could be incorporated in the stack for thermal management. Computer simulations have been carried out to study the thermal management in a fuel cell by many groups along with the water management studies. Dumercy et al., [2] have developed a 3D steady state thermal modeling for a fuel cell stack which is helpful in defining the geometry of the fluids ducts. While a number of models assume a constant temperature of the fuel cell stack, Shan and Choe [3] have carried out dynamic analysis especially the temperature response to the dynamic load.
The thermal load can be managed simply by using fans without any water cooling system like the air-cooled PEMFC, which is widely used in sub kW and around 1 kW systems. Many systems have been reported wherein a single air blower is used to feed the reactant gas as well supply the air to cool the stack. The performance of an air-cooled system is highly dependent on ambient temperature and humidity. Air-cooled systems are expensive to build as each cell has to have channels for the anode and cathode plates for the cooling air to flow. In order to reduce the cost, novel methods are being developed and one such method is reported by Ruge and Hoekel [4] who have used a edge air cooling integrated with a fan. However, in case of tropical and sub tropical countries, air cooling concept has to be thought very seriously as the average temperature is about 35 °C. In such applications, liquid cooling is preferred and also design of the cooling plate play a major role for heat dissipation uniformly from the cells. Serpentine or meander cooling patterns have been used. These circumstances call for a flow geometry with minimum flow resistance between a volume subjected to two constraints: fixed total volume and fixed channel volume.
Although there have been a number of studies on heat and mass transfer in the reactant gas channels, there have been very limited studies on optimizing the cooling process of a fuel cell. Musser and Wang [5] employed a two-dimensional code to predict the temperature variation in the fuel cell. However, the two-dimensional analysis could not reflect on the real cooling arrangement which includes complicated configurations such as serpentine type structures. Chen et al. [6] have used a three-dimensional CFD code to investigate the coupled cooling process involved in fluid flow and heat transfer between the solid plate and the coolant flow. They investigated six different cooling modes in their analysis and have arrived at the conclusion that serpentine type flow mode is better than the parallel type mode.
Operating conditions of a fuel cell widely depend on the thermal management. It is used to control the cooling system, to maintain a good hygrometry level in the fuel cell and to optimize the efficiency of the system. If the gradients of temperature through the layers (MEA) are not taken into account, then the heat transfer can only be estimated along the channels. These studies are realized with water circulation on the external faces by forced convection.
Recently Faghri and Guo [7], reviewed the numerous technical challenges that exist in fuel cell technology development with resp
การจัดการความร้อนของ PEMFC เป็นคีย์ประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์สูงและมีประสิทธิภาพ ความร้อนและน้ำกำลังบดแต่เพียงผู้เดียวของปฏิกิริยาเคมีในเซลล์เชื้อเพลิง ปัจจัยสำคัญที่ก่อให้เกิดการสร้างความร้อนภายในเซลล์เชื้อเพลิง PEM irreversibility ของปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีและความร้อนจูลได้ นอกจากนี้ จลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีโดยตรงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการทำงาน การกระจายอุณหภูมิในเซลล์มีผลกระทบแรงประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์ มันมีผลต่อการกระจายน้ำโดยใช้วิธีการควบแน่น และส่งผลต่อลักษณะขนส่งแพร่ก๊าซของหลายคอมโพเนนต์ผ่านเทอร์โมฝอยแรงและร้อนแรง อุณหภูมิภายในเซลล์มากเกินไปเนื่องจากเซลล์ไม่เพียงพอ หรือไม่มีประสิทธิภาพทำความเย็นอาจทำให้เยื่อขาดน้ำ การหดตัว หรือแม้แต่แตก ดังนั้น ขอเป็นคู่ปัญหาการจัดการน้ำความร้อน และมีผลโดยตรงประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์การจัดการความร้อนรวมถึงการสร้างความร้อนจากภายในเซลล์ กับภายนอก หรือสภาพแวดล้อมการกำจัด เพิ่มเติม การกระจายอุณหภูมิ spatially และดอกเหมือนกันต้องมีการ เพื่อหลีกเลี่ยงจุดร้อนในเมมเบรน เครื่องสูบน้ำที่จำเป็นสำหรับการไหลเวียนของน้ำหล่อเย็นลดได้สำหรับเพิ่มประสิทธิภาพของระบบเพื่อให้ประสิทธิภาพของเซลล์โดยสูงได้ ดังนั้น ความดันลดลงต้องลดในขณะที่เพิ่มความสามารถในการถ่ายโอนความร้อนในเวลาเดียวกัน วิธีการทำงานเพื่อเอาความร้อนจากการเซลล์เชื้อเพลิงขึ้นอยู่กับขนาดของ Daugherty et al. [1] ศึกษาเซลล์เชื้อเพลิงน้อยกว่า 100 W ความจุ และใช้การพาอากาศเย็นเซลล์ และให้อากาศเพียงพอเพื่อให้น้ำระเหยโดยไม่ต้องใช้พัดลมใด ๆ อย่างไรก็ตาม กองเซลล์เชื้อเพลิงความจุสูงต้องการระบายความร้อนวงจรที่สามารถรวมไว้ในกองจัดการความร้อน คอมพิวเตอร์จำลองการดำเนินการศึกษาการจัดการความร้อนในเซลล์เชื้อเพลิง โดยหลายกลุ่มพร้อมกับศึกษาการจัดการน้ำ Dumercy et al., [2] ได้พัฒนารัฐ steady 3D โมเดลสำหรับแถวเซลล์เชื้อเพลิงซึ่งมีประโยชน์ในการกำหนดรูปทรงของท่อน้ำมัน ร้อน ในขณะที่จำนวนของรุ่นสมมติอุณหภูมิคงที่ของเซลล์เชื้อเพลิงกอง ชานและ Choe [3] ที่ได้ดำเนินการวิเคราะห์แบบไดนามิกโดยเฉพาะอย่างยิ่งการตอบสนองอุณหภูมิเพื่อโหลดแบบไดนามิกThe thermal load can be managed simply by using fans without any water cooling system like the air-cooled PEMFC, which is widely used in sub kW and around 1 kW systems. Many systems have been reported wherein a single air blower is used to feed the reactant gas as well supply the air to cool the stack. The performance of an air-cooled system is highly dependent on ambient temperature and humidity. Air-cooled systems are expensive to build as each cell has to have channels for the anode and cathode plates for the cooling air to flow. In order to reduce the cost, novel methods are being developed and one such method is reported by Ruge and Hoekel [4] who have used a edge air cooling integrated with a fan. However, in case of tropical and sub tropical countries, air cooling concept has to be thought very seriously as the average temperature is about 35 °C. In such applications, liquid cooling is preferred and also design of the cooling plate play a major role for heat dissipation uniformly from the cells. Serpentine or meander cooling patterns have been used. These circumstances call for a flow geometry with minimum flow resistance between a volume subjected to two constraints: fixed total volume and fixed channel volume.Although there have been a number of studies on heat and mass transfer in the reactant gas channels, there have been very limited studies on optimizing the cooling process of a fuel cell. Musser and Wang [5] employed a two-dimensional code to predict the temperature variation in the fuel cell. However, the two-dimensional analysis could not reflect on the real cooling arrangement which includes complicated configurations such as serpentine type structures. Chen et al. [6] have used a three-dimensional CFD code to investigate the coupled cooling process involved in fluid flow and heat transfer between the solid plate and the coolant flow. They investigated six different cooling modes in their analysis and have arrived at the conclusion that serpentine type flow mode is better than the parallel type mode.Operating conditions of a fuel cell widely depend on the thermal management. It is used to control the cooling system, to maintain a good hygrometry level in the fuel cell and to optimize the efficiency of the system. If the gradients of temperature through the layers (MEA) are not taken into account, then the heat transfer can only be estimated along the channels. These studies are realized with water circulation on the external faces by forced convection.Recently Faghri and Guo [7], reviewed the numerous technical challenges that exist in fuel cell technology development with resp
การแปล กรุณารอสักครู่..