مدل‌سازی عددی لوله گرمایی به منظور استفاده در خنک‌کاری پیل سوختی غشاء پلیمری

مدیریت گرما در پیل جهت نگه داشتن دمای آن در یک بازه دمایی محدود و مناسب (6080 درجه سلسیوس) و تلاش جهت یکنواختی توزیع دما در پیل ضروری است؛ زیرا کنترل دمایی پیل سوختی، تاثیر زیادی بر کارایی، بازده و عمر مفید پیل سوختی غشاء پلیمری دارد. یکی از روش های خنک کاری پیل استفاده از مکانیزم تغییر فاز برای کنترل دمایی غیر فعال پیل است. لوله گرمایی، با استفاده از این مکانیزم امکان کنترل یکنواخت دمایی پیل را بدون استفاده از توان پمپ و به صورت غیر فعال فراهم می کند. در این مقاله یک لوله گرمایی برای خنک کاری پیل با توان پایین پیل 200 واتی پیشنهاد شده است و به مدل سازی دو فازی و گذرا لوله گرمایی با سیال کاری آب؛ پرداخته شده است. برای بررسی عملکرد لوله گرمایی، مدل حجم سیال و مدل محیط متخلخل استفاده شده است. بررسی همزمان فرایندهای تبخیر و میعان در لوله گرمایی، با نوشتن یک کد کامپیوتری و اضافه کردن آن به نرم افزار fluent انجام شده است. تطابق خوبی بین داده های تجربی و مدل عددی حاضر وجود دارد و مشاهده می شود که مدل حجم سیال می تواند مدل مناسبی برای پدیده های پیچیده در لوله گرمایی باشد. نتایج نشان می دهند که به کمک خنک کاری با لوله گرمایی، دمای بخش تبخیرکن که همان دمای صفحات دو قطبی پیل است، 69 درجه سلسیوس است که این مقدار در محدوده مناسب عملکرد پیل قرار دارد. در واقع لوله گرمایی قادر به دفع مناسب گرمای پیل بوده است؛ ضمن این که توزیع دما داخل پیل نیز نسبتاً یکنواخت است. مقادیر پایین محاسبه شده برای مقاومت حرارتی لوله گرمایی، نشان دهنده بهبود عملکرد سیستم خنک کاری پیل سوختی است.

Numerical Modeling of Heat Pipe for Use in PEM Fuel Cell Cooling

Heat management of fuel cell is necessary to maintain the cell temperature in an appropriate temperature range (6080℃) and to make a uniform temperature distribution in the cell, because the temperature control has a significant impact on the performance, efficiency and life cycle of a polymer membrane fuel cell. One of the passive cooling methods is to use phase change process. The heat pipe facilitates a uniform temperature control of the cell without consumption of electric power. In this paper, a heat pipe for cooling a lowpower 200watt fuel cell is proposed, and the twophase and transient flow of a heat pipe with water as working fluid is modeled. In order to investigate the performance of the heat pipe, the volume of fluid model and the porous medium model have been used. Simultaneous modeling of evaporation and condensation processes in the heat pipe is performed using a user defined function in the ANSYS Fluent software. The results show that utilization of thermal pipe leads to maintain the temperature of the evaporator section at 69℃, which is equal to the temperature of the bipolar plates of the cell, and it is in the appropriate range of the operating temperature. In fact, the heat pipe is able to dissipate the heat of the cell properly and to maintain a relatively uniform temperature distribution inside the cell, simultaneously. The low values calculated for the thermal resistance of the heat pipe indicate an improvement in the performance of the fuel cell cooling system.