Improving the performance of an air-cooled fuel cell stack by turbulence inducing grid

Pløger, Line Justesen ; Fallah, Rasheed

4. term

Energy Engineering, Master

2018

2018-06-01

99

Protonudvekslingsmembran-brændselsceller (PEMFC) er attraktive som strømkilder, fordi de er enkle og har hurtig opstart. De bruges allerede i mange sammenhænge, fra køretøjer til stationære systemer som nødstrømsenheder til telekommunikation. Det er dog udfordrende at fjerne den varme, den elektrokemiske reaktion skaber. I en Ballard 1020 ACS luftkølet stack er der observeret overophedning ved lave strømtætheder (omkring 0,4 A/cm^2). Forskere ved Aalborg Universitet fandt, at den største begrænsning i den termiske styring er varmeoverførslen til luften i kathodekanalerne. Dette studie afprøver en enkel, passiv løsning: at placere kvadratiske og bikageformede turbulensgitre lige før kathodeindløbet. Disse gitre skaber turbulens, som øger luftens blanding i kanalerne og hjælper med at transportere varmen væk. Vi udviklede en CFD-model (computersimulering af strømning og varmeoverførsel) og understøttede den med forsøg. CFD-resultaterne viste bedre blanding i kathodekanalerne og lavere temperatur på kanalvæggene, når gitrene blev brugt. Forsøgene målte en ydelsesforøgelse på 10,42 % med det kvadratiske gitter og 2,75 % med bikagegitteret. Resultaterne tyder på, at simple, passive gitre ved kathodeindløbet kan forbedre varmeoverførsel og modvirke overophedning i luftkølede PEM-brændselscellestacks.

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are attractive power sources because they are simple and start up quickly. They are already used in many applications, from vehicles to stationary systems such as telecom backup units. However, removing the heat produced by the electrochemical reaction can be challenging. In a Ballard 1020 ACS air-cooled stack, overheating has been observed at low current densities (about 0.4 A/cm^2). Researchers at Aalborg University found that the main limitation in thermal management is transferring heat to the air flowing through the cathode channels. This study tests a simple, passive solution: placing square and honeycomb turbulence grids just before the cathode inlet. These meshes create turbulence, which improves air mixing in the channels and helps carry heat away. We built a computational fluid dynamics (CFD) model, supported by experiments, to evaluate the approach. The CFD results showed better mixing in the cathode channels and lower channel wall temperatures when the grids were used. Experiments measured performance increases of 10.42% with the square grid and 2.75% with the honeycomb grid. These results indicate that simple passive flow conditioners at the cathode inlet can improve heat transfer and help prevent overheating in air-cooled PEM fuel cell stacks.

[This abstract was generated with the help of AI]

Grid ; CFD ; Turbulence intensity ; Fuel cell

Download
View record in AAU Student Projects