طراحی و تحلیل سیستم خنک کاری و مدیریت حرارت سامانه تولید توان یک پهپاد سبک مجهز به پیل سوختی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی / مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

2 کارشناس ارشد / دانشکده مکانیک، دانشگاه صنعتی سهند

چکیده

مسأله مدیریت حرارتی درون پیل­­های سوختی پلیمری از مسائل بسیار مهم و حائز اهمیت می­باشد. از یک طرف باید دمای مناسب برای واکنش­های الکتروشیمیایی فراهم شود و از طرف دیگر دما نباید به اندازه­ای بالا رود که منجر به آسیب دیدن قسمت­های مختلف پیل­سوختی شود. حرارت تولیدی پیل­سوختی یک چالش اساسی بوده که مدیریت درست آن نقش بسزایی در بهینه­سازی عملکرد و طول عمر آن دارد. در این مقاله سیستم خنک­کاری یک پیل­سوختی پلیمری یک کیلوواتی با کاربرد در پهپادها مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است. در ابتدا با استفاده از یک مدل ریاضی عملکرد پیل تحت شرایط کارکرد متفاوت بررسی شده و دبی هوای مورد نیاز جهت خنک­کاری آن محاسبه شده است. در ادامه هفت نمونه هندسه پیشنهادی (شیاردار و با سوراخ) جهت خروج هوای گرمی که از طریق فن­های    پیل­سوختی خارج می­شود، ارئه شده و تأثیر این دریچه­های خروجی بر انتقال حرارت در داخل بدنه پهپاد بررسی شده است. نتایج به دست آمده نشان می­دهد که برای تمامی هندسه­های پیشنهادی برای دریچه خروجی، میانگین دمای سطح خارجی پیل سوختی پایین­تر از 45 می­باشد، که این شرایط به خوبی محدودیت دمایی اعلام شده از سوی شرکت سازنده را تأمین می­کند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Design and analysis of the cooling system and thermal management of the power generation system of a lightweight UAV powered by fuel cell

نویسندگان [English]

  • Jamasb Pirkandi 1
  • Yosef Abbasi 1
  • Saeed Balafkande 2
1 Faculty of Aerospace, Malek Ashtar University of Technology, Iran
2 Graduated Student / Mechanical Engineering Department, Sahand University of Technology
چکیده [English]

The issue of thermal management in proton exchange membrane fuel cells is a major challenge. On the one hand, a suitable temperature should be provided for electrochemical reactions, and On the other hand, the temperature should not rise to some extent that cause damage to the various parts of the fuel cell. Fuel cell heat  management has a significant role in optimizing the performance and life span of PEM fuel cells. In the present research, a cooling system of a 1kW proton exchange membrane fuel cell has been analyzed. Initially, by a mathematical model, the performance of the fuel cell was investigated under different operating conditions, and the amount of air flow required to cool the fuel cell has been calculated. In the following, different  geometries  are proposed to remove out fans heat from the fuel cell, and the effect of these outlets has been investigated on the heat transfer inside the UAV body. The results show that for all proposed geometries for the outlet, the average external surface temperature of the fuel cell is less than 45 ℃ which satisfies temperature limitation that manufacturer pointed out.

کلیدواژه‌ها [English]

  • UAV
  • PEM fuel cell
  • Cooling
  • Thermal management
[1] C. K. Dyer., Fuel cells for portable applications, Journal of Power Sources, Vol. 106 (1), pp.31–34, 2002.
[2] L. Wang., A. Husar., T. Zhou. and H. Liu., A parametric study of PEM fuel cell performances, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 28 (11), pp. 1263-1272, 2003.
[3] S. Ibrahim., A. Rashid. and Z. Hongwei., Simplified mathematical model of proton exchange membrane fuel cell based on horizon fuel cell stack, Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, Vol. 4 (4), pp. 668-679, 2016.
[4] G. Zhang. and S.G. Kandlikar., A critical review of cooling techniques in proton exchange membrane fuel cell stacks. International Journal of Hydrogen Energy, Vol.  37, pp. 2412–2429. 2012.
[5] A.P. Sasmito., K.W. Lum., E. Birgersson. and A.S. Mujumdar., Computational study of forced air-convection in open-cathode polymer electrolyte fuel cell stacks, Journal of Power Sources, Vol. 195 (17), pp. 5550-5563, 2010.
[6] J. Barroso., J. Renau., A. Lozano., J. Miralles., J. Martin., F. Sanchez. and F. Barreras., Experimental determination of the heat transfer coefficient for the optimal design of the cooling system of a PEM fuel cell placed inside the fuselage of an UAV, Journal of Applied Thermal Engineering, Vol. 89, pp. 1-10, 2015.
[7] S. Shahsavari., A. Desouza., M. Bahrami. and E. Kjeang., Thermal analysis of air-cooled PEM fuel cells, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 37 (23), pp. 18261-18271, 2012.
[8] P. Zhao., J. Wang., L. Gao. and Y. Dai., Parametric analysis of a hybrid power system using organic Rankine cycle to recover waste heat from proton exchange membrane fuel cell, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 37 (4), pp. 3382-3391, 2012.
[9] F. Barreras., A. Lozano., J. Barroso., V. Roda. and M. Maza., Theoretical model for the optimal design of air cooling systems of Polymer Electrolyte Fuel Cells. application to a high Temperature PEMFC, Journal of Fuel Cells, Vol. 13 (2), pp. 227-237, 2013.
[10] H-1000 fuel cell stack-user manual. Horizon Educational, 2013 n.d, see: https://www.fuelcellstore.com/manuals/horizon-pem-fuel-cell-h-1000-manual.pdf.