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URN: urn:nbn:de:gbv:705-opus-24561
URL: http://opus.unibw-hamburg.de/volltexte/2010/2456/
Hashmi, Syed Mushahid Hussain
Cooling Strategies for PEM FC Stacks
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Kurzfassung in englisch
Fuel cell technology, even though not as advanced as predicted, is still one of the promising
candidates for future efficient and sustainable energy conversion. Out of several types of fuel
cells the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is regarded as the future power source
for transportation and portable electronic devices, because of its low operating temperature
between 80-180ºC. PEMFC, like other types of fuel cells, converts the chemical energy of the
hydrogen rich fuel into electrical energy, and as a by-product it generates water and heat. Part
of this heat is a result of the thermodynamic reaction entropy, the bigger part is due to
irreversible transport mechanisms. A removal of this low grade heat requires an efficient
cooling system.---
This thesis provides a variety of cooling strategies for the efficient removal of heat, so that
the temperature of the PEMFC stack remains under a tolerable limit and as much as possible
spatially homogeneous. In first place it is important to know the magnitude and location of
heat sources in PEMFC, then one can hunt for the cooling strategies. A systematic study of
the heat sources in PEMFC is made in this thesis, and it is concluded that the irreversible
sources of heat generation are amenable by using the toolbox of thermodynamics of
irreversible processes. The reversible part of heat generation due to the entropy change taking
place on behalf of the electrochemical reaction at the electrodes of the cell is uncertain. This
brings a major limitation on the vast number of non-isothermal PEM fuel models developed in
last two decades.---
A complete computational modeling of the commercial size PEMFC stack is still far away
from reality, this necessitates to decrease the complexity of the model which can allow us to
simulate a large size stack. In this regard a sophisticated computational fluid dynamics (CFD)
model of one single fuel cell is developed as a first step, which is capable of calculating the
non-uniform heat flux distribution at the electrodes based upon the concentration changes
occurring at the electrode due to the electrochemical reaction. Local current density
distribution is predicted for two possible reactant flow arrangements in a stack. This single
cell model gives rise to a simplified model for the stack simulation as a second step.---
Larger PEMFC stacks are always cooled by liquid cooling. In this work different liquid
cooling channel designs with single and multiple channels are analyzed numerically and the
temperature distribution of the cooling plate is shown. The criterion for optimization of the
design is made by calculating the total entropy generation. All different designs show
stratification of temperature. Better uniformity of temperature can be achieved through offsetting
and intelligent zoning of the temperature in the stack as proposed in the thesis. Two
known benchmark problems are solved in this study to validate the calculation methods.---
A four cell stack is modeled using CFD and the temperature distribution is experimentally
validated by a four cell stack which is designed and manufactured in-house. An important
result of this experimental work is the existence of temperature variation within a small active
area of 25 cm2. In the end a commercial size stack having 30 cells is simulated with cooling
plates at a space of every cell, every third cell and every fifth cell. The resulting temperature
distribution shows that the difference in maximum and minimum temperature of the stack
decreases as the number of cooling plates increases. In a PEM-FC stack, just as in other types,
the spatial temperature distribution is pivotal for its stability and for its lifetime expectation.
The results of this thesis give important design criteria for an optimum thermal management
of PEMFC.Kurzfassung in deutsch
Die Brennstoffzelle ist nach wie vor ein zukunftsträchtiger Baustein in einer effizienten und
nachhaltigen Energiewandlungskette. Unter den verschiednen Brenstoffzellen-Varianten ist
der Polymerelektrolyt-Membran Brennstoffzelle (PEM FC) der Kandidat für Fahrzeuge und
mobile Anwendungen, da deren Betriebstemperaturen im Bereich 80°C – 180°C liegen. Wie
alle Brennstoffzellen wandeln PEMFCs die innere chemische Energie eines
wasserstoffreichen Brenngases in elektrische Energie um, wobei als Neben-bzw.
Reaktionsprodukt Wärmeenergie und Wasser anfallen. Die anfallende Wärme ist zum einen
der reversiblen thermodynamischen Reaktionsentropie zu zuordnen, zum anderen größeren
Teil den irreversiblen Transportmechanismen in der Brennstoffzelle. Zur Abfuhr dieser
Wärme ist eine effiziente Kühlstrategie erforderlich.---
Diese Dissertation untersucht unterschiedliche Kühlstrategien zur effizienten Wärmeabfuhr
einer PEM-Brennstoffzelle, um die innere Temperatur zuverlässig unterhalb zulässiger
Grenztemperaturen und örtlich möglichst gleichverteilt zu halten. Hierzu werden zunächst die
Größe und die Verteilung der Wärmequellen und Verlustmechanismen in der Brennstoffzelle
dargestellt. Die Wärmeerzeugung durch die Transportmechanismen ist durch die
Thermodynamik der irreversiblen Prozesse zugänglich. Ein bisher ungelöstes Problem ist aber
die Zuordnung der Reaktionsentropie der elektrochemischen Reaktionen auf die Anode und
die Kathode. Diese Unsicherheit limitiert die Belastbarkeit bisher bekannter
Berechnungsmodelle zur Temperaturverteilung in PEM-Brennstoffzellen.---
Eine detaillierte ganzheitliche dreidimensionale numerische Simulation einer PEMFC in
kommerzieller Größe ist noch nicht möglich, so dass das Temperaturfeld in zwei Stufen
berechnet werden muss. In der ersten Stufe wird eine einzelne Zelle in größtmöglicher
dreidimensionaler Modellierung betrachtet und die hier auftretenden Wärmequellen und
Temperaturfelder berechnet. Für die hierzu notwednige Kenntnis der lokalen Stromdichte
werden zwei unterschiedliche Verteilung zugrunde gelegt. In einer zweiten Stufe wird aus
diesem detailliertem Modell ein vereinfachtes Modell der Einzelzelle erstellt, welches die
lokalen Wärmequellen richtig wieder gibt aber eine Simulation mit bis zu 100 Zellen erlaubt.---
Gößere PEM-Brennstoffzellen sind in aller Regel flüssigkeitsgekühlt. In dieser Arbeit werden
unterschiedliche Kanalgeometrien für die Führung der Kühlflüssigkeit untersucht und die
daraus resultierenden Temperaturfelder mit einem Ansatz zum konjugiertem Wärmeübergang
berechnet. Zur Optimierung der Kanalkonfiguration in Bezug auf Wärmeübertragung und
minimalem Druckverlust wird die Entropieerzeugungsrate herangezogen. Die
Temperaturverteilung kann, wie in der Arbeit gezeigt wird, durch eine optimierte
Stromführung homogenisiert werden. Die numerischen Berechnungsmethoden werden anhand
zweier literaturbekannter Benchmark-Probleme validiert. Zusätzlich werden die
Berechnungsansätze mit experimentellen Daten aus einer aus vier Zellen bestehenden PEMLaborbrennstoffzelle
verglichen. Durch eine Vielzahl an Temperaturmessstellen kann schon
bei der kleinen aktiven Elektrodenfläche von 25 cm2 eine deutlich örtliche
Temperaturverteilung nachgewiesen werden, wie sie auch in dem numerischen Modell dieser
Zelle berechnet wird.---
Insgesamt werden Berechnungen für PEMFC kommerzieller Größe mit Kühleinschüben nach
jeder, nach drei und nach fünf Einzelzellen numerisch untersucht und diskutiert. Die
Homogenität des Temperaturfeldes in der Brennstoffzelle muss gegen den zusätzlichen
Aufwand von Kühleinschüben abgewogen werden, da diese Homogenität für die
Belastbarkeit und Lebensdauer der Brennstoffzelle von großer Bedeutung ist. Hierzu stellt die
Arbeit die notwendigen Auslegungs- und Optimierungskriterien bereit.
SWD-Schlagwörter:
Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle , Kühlung , Numerische Strömungssimulation , Temperaturverteilung
Freie Schlagwörter (englisch):
PEM fuel cell stack , Cooling , Temperature distribution , CFD
Institut:
Thermodynamik / Prof. Dr.-Ing. S. Kabelac
Fakultät:
Fakultät Maschinenbau
DDC-Sachgruppe:
Ingenieurwissenschaften
Dokumentart:
Dissertation
Hauptberichter:
Kabelac, Stephan (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Sprache:
englisch
Tag der mündlichen Prüfung:
15.03.2010
Erstellungsjahr:
2010
Publikationsdatum:
22.03.2010
Zugang zum Dokument:
keine Einschränkung
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