Numerical Investigation of Manifold Flow Distribution for a Proton-Exchange Membrane Fuel Cell Using Computational Fluid Dynamics
Author
Seiferheld, Stig Eitel
Term
4. term
Education
Publication year
2018
Submitted on
2018-06-01
Pages
73
Abstract
This thesis investigates the manifold flow distribution of an air‑cooled proton‑exchange membrane (PEM) fuel cell used to power a hydrogen vehicle developed by Team Aalborg Energy. The fuel cell features a dead‑end anode and an open cathode, so the airflow must both supply oxygen and remove waste heat. The objective was to assess whether the current manifold achieves uniform through‑stack flow and to clarify how operating choices affect cooling and performance. Computational fluid dynamics (CFD) was used with a porous‑media representation of the stack to reduce computational cost; pressure losses were modeled via viscous and inertial momentum source terms calibrated against empirical data. Heat transfer was captured with a non‑equilibrium model between fluid and solid, and internal heat generation was set by cell voltage and current density. The results showed highly uniform flow, with less than 5% variation in velocity from the center to the outer parts of the stack, yielding a smooth temperature profile that increased along the flow direction and peaked at the outlet. Numerical comparisons indicated that creating suction at the outlet is more effective than blowing air through the stack. A parametric study found that raising inlet air temperature increases overall stack temperature and can reduce efficiency, while at higher currents a slightly higher inlet temperature may be beneficial due to a higher optimal operating temperature. Fan–system matching further suggested that above roughly 30 A the axial fan can only meet the required flow by lowering stoichiometry, risking degraded fuel cell performance. These findings provide practical guidance on airflow strategy and operating points to improve cooling and efficiency without major geometric changes.
Dette speciale undersøger strømningsfordelingen i manifolden for en luftkølet proton-udvekslingsmembran (PEM) brændselscelle, der driver en hydrogenbil udviklet af Team Aalborg Energy. Brændselscellen har død-ende anode og åben katode, så luftstrømmen både skal levere ilt og bortlede varme. Formålet var at vurdere, om den nuværende manifold giver ensartet gennemstrømning i stakken, og at belyse, hvordan driftsvalg påvirker køling og ydeevne. Metodisk blev der anvendt beregningsvæskedynamik (CFD) med en porøsmedie-repræsentation af stakken for at reducere beregningstid, hvor tryktab blev modelleret via viskøse og inertiære momentumkilder kalibreret mod empiriske data. Varmeoverførsel blev beskrevet med en ikke-ligevægtsmodel mellem luft og fast stof, og den interne varmefrigivelse blev bestemt ud fra cellespænding og strømtæthed. Resultaterne viste en meget ensartet flowfordeling med under 5% variation i hastighed fra centrum til stakkens yderområder, hvilket gav en jævn temperaturprofil, der steg i strømningsretningen og var højest ved udløbet. Sammenligninger indikerede, at udsugning ved udløbet er mere effektivt end indblæsning. En parameterundersøgelse viste, at højere indløbstemperatur hæver stakkens temperatur og kan sænke effektiviteten, mens højere strømme kan have fordel af en lidt højere indløbstemperatur på grund af en højere optimal driftstemperatur. Analyse af ventilator- og systemkurver antydede desuden, at ved strømme over cirka 30 A vil den anvendte aksialventilator kun kunne levere den nødvendige luftmængde ved at sænke stoikiometrien, med risiko for forringet brændselscelleydelse. Disse indsigter giver praktiske retningslinjer for luftføring og driftspunkter, der kan forbedre køling og effektivitet uden større geometriske ændringer.
[This apstract has been generated with the help of AI directly from the project full text]