A computational analysis of heat transfer in an air-cooled proton exchange membrane fuel cell for unsteady flow conditions and feasibility of heated turbulence grid in subzero conditions
Authors
Hansen, Jóhannes ; Loureiro Martinho, Diogo
Term
4. term
Education
Publication year
2021
Submitted on
2021-05-28
Pages
92
Abstract
Air-cooled PEM fuel cells are attractive for applications such as telecom backup, but their limited heat capacity requires efficient cooling. This thesis numerically investigates whether a turbulence-inducing grid placed upstream of the cathode inlet can enhance convective heat transfer, and assesses the feasibility of a heated grid for preheating under subzero conditions. A single fuel cell channel was modeled using CFD with three RANS turbulence models (RSM, realizable k-ε with enhanced wall treatment, and SST k-ω) and two mesh types (conformal unstructured poly-hexcore and structured hexahedral). Both steady-state and transient simulations were run, including a ±20% pulsating inlet. Results show that the grid increases turbulence intensity and thus convective heat transfer; the greatest effect occurred at 2.5 mm from the cathode, reducing gas diffusion layer and bipolar plate temperatures by approximately 2.8°C. The RSM model produced nonphysical boundary-layer turbulence peaks, whereas SST k-ω with a structured hexahedral mesh yielded the most consistent temperature, velocity, and turbulence profiles. A heated grid appears partly feasible: preheating the inlet air by 10°C can be achieved with a grid surface temperature around 236°C and a power draw of about 30% of the fuel cell output. A 20% inlet velocity variation did not produce a notable additional reduction in solid temperatures, and the start-up time to reach the target temperature was about 470 seconds. Overall, the study indicates that a turbulence grid can improve cooling in air-cooled PEM fuel cells, and a heated grid may aid cold-start operation at a significant yet potentially acceptable power cost.
Air-coolede PEM-brændselsceller er attraktive til blandt andet telekom-backup, men deres begrænsede varmekapacitet kræver effektiv køling. Denne afhandling undersøger numerisk, om et turbulensskabende gitter foran katodeindløbet kan øge den konvektive varmeoverførsel, samt om et opvarmet gitter er anvendeligt til forvarmning i frostgrader. En enkelt kanal i en brændselscelle blev modelleret med CFD ved brug af tre RANS-baserede turbulensmodeller (RSM, realizable k-ε med forbedret vægbehandling og SST k-ω) og to meshtyper (konformal ustruktureret poly-hexcore og struktureret hexahedral). Både stationære og tidsafhængige simuleringer blev udført, herunder et pulsende indløb (±20 %). Resultaterne viser, at et turbulensgitter øger turbulensintensiteten og dermed den konvektive varmeoverførsel; den største effekt blev opnået ved 2,5 mm afstand til katoden, hvor gasdiffusionslaget og bipolarpladen blev afkølet med cirka 2,8°C. RSM gav ikke-fysiske turbulensspidser nær væggen, mens SST k-ω kombineret med struktureret hexahedral mesh gav de mest konsistente profiler for temperatur, hastighed og turbulens. Et opvarmet gitter vurderes delvist muligt: en forvarmning af indløbsluften på 10°C kan opnås med en gitteroverfladetemperatur omkring 236°C og et forbrug på cirka 30 % af brændselscellens effekt. En 20 % variation i indløbshastigheden gav ingen mærkbar yderligere temperaturreduktion i de faste materialer, og opstartstiden til driftstemperatur blev beregnet til omkring 470 sekunder. Samlet peger studiet på, at et turbulensgitter kan forbedre kølingen i luftkølede PEM-brændselsceller, mens et opvarmet gitter kan understøtte koldstart under et betydeligt, men potentielt acceptabelt, effekttab.
[This apstract has been generated with the help of AI directly from the project full text]