طراحي و تحليل سيستم خنك كاري و مديريت حرارت سامانه توليد توان يك پهپاد سبك مجهز به پيل سوختي

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

مسأله مديريت حرارتي درون پيل­­هاي سوختي پليمري از مسائل بسيار مهم و حائز اهميت مي­ باشد. از يك طرف بايد دماي مناسب براي واكنش­هاي الكتروشيميايي فراهم شود و از طرف ديگر دما نبايد به اندازه­اي بالا رود كه منجر به آسيب ديدن قسمت­هاي مختلف پيل­ سوختي شود. حرارت توليدي پيل ­سوختي يك چالش اساسي بوده كه مديريت درست آن نقش بسزايي در بهينه­ سازي عملكرد و طول عمر آن دارد. در اين مقاله سيستم خنك­ كاري يك پيل­ سوختي پليمري يك كيلوواتي با كاربرد در پهپادها مورد تحليل و بررسي قرار گرفته است. در ابتدا با استفاده از يك مدل رياضي عملكرد پيل تحت شرايط كاركرد متفاوت بررسي شده و دبي هواي مورد نياز جهت خنك ­كاري آن محاسبه شده است. در ادامه هفت نمونه هندسه پيشنهادي (شياردار و با سوراخ) جهت خروج هواي گرمي كه از طريق فن­هاي پيل­ سوختي خارج مي­شود، ارئه شده و تأثير اين دريچه­ هاي خروجي بر انتقال حرارت در داخل بدنه پهپاد بررسي شده است. نتايج به دست آمده نشان مي­دهد كه براي تمامي هندسه­ هاي پيشنهادي براي دريچه خروجي، ميانگين دماي سطح خارجي پيل سوختي پايين­تر از 45 مي­باشد، كه اين شرايط به خوبي محدوديت دمايي اعلام شده از سوي شركت سازنده را تأمين مي­كند.

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.