مدل‌سازي عددي لوله گرمايي به منظور استفاده در خنك‌كاري پيل سوختي غشاء پليمري

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

مديريت گرما در پيل جهت نگه داشتن دماي آن در يك بازه دمايي محدود و مناسب (60-80 درجه سلسيوس) و تلاش جهت يكنواختي توزيع دما در پيل ضروري است؛ زيرا كنترل دمايي پيل سوختي، تأثير زيادي بر كارايي، بازده و عمر مفيد پيل سوختي غشاء پليمري دارد. يكي از روش هاي خنك كاري پيل استفاده از مكانيزم تغيير فاز براي كنترل دمايي غير فعال پيل است. لوله گرمايي، با استفاده از اين مكانيزم امكان كنترل يكنواخت دمايي پيل را بدون استفاده از توان پمپ و به صورت غير فعال فراهم مي كند. در اين مقاله يك لوله گرمايي براي خنك كاري پيل با توان پايين پيل 200 واتي پيشنهاد شده است و به مدل­سازي دو فازي و گذرا لوله گرمايي با سيال كاري آب؛ پرداخته شده است. براي بررسي عملكرد لوله گرمايي، مدل حجم سيال و مدل محيط متخلخل استفاده شده است. بررسي همزمان فرايندهاي تبخير و ميعان در لوله گرمايي، با نوشتن يك كد كامپيوتري و اضافه كردن آن به نرم افزار Fluent انجام شده است. تطابق خوبي بين داده­هاي تجربي و مدل عددي حاضر وجود دارد و مشاهده مي­شود كه مدل حجم سيال مي­تواند مدل مناسبي براي پديده­هاي پيچيده در لوله گرمايي باشد. نتايج نشان مي­دهند كه به كمك خنك­كاري با لوله گرمايي، دماي بخش تبخيركن كه همان دماي صفحات دو قطبي پيل است، 69 درجه سلسيوس است كه اين مقدار در محدوده مناسب عملكرد پيل قرار دارد. در واقع لوله گرمايي قادر به دفع مناسب گرماي پيل بوده است؛ ضمن اين كه توزيع دما داخل پيل نيز نسبتاً يكنواخت است. مقادير پايين محاسبه شده براي مقاومت حرارتي لوله گرمايي، نشان دهنده بهبود عملكرد سيستم خنك ­كاري پيل سوختي است.

Heat management of fuel cell is necessary to maintain the cell temperature in an appropriate temperature range (60-80℃) 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 low-power 200-watt fuel cell is proposed, and the two-phase 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.