namiТруды НАМИTrudy NAMI0135-3152ФГУП «НАМИ»10.51187/0135-3152-2024-3-47-56nami-338Research ArticleДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЕENGINE DEVELOPMENTРасчётное исследование эффективности системы охлаждения топливного элементаFuel cell cooling system efficiency calculation studyБутаровичД. О.ButarovichD. O.

Бутарович Дмитрий Олегович – канд. техн. наук, доцент кафедры СМ10 «Колёсные машины», инжиниринговый центр им. А.А. Липгарта

г. Москва 105005

Butarovich D.O. – PhD (Eng), associate professor of the Department SM10 “Wheeled vehicles”, Engineering Center named after A.A. Liphart

Moscow 105005

buta73@bmstu.ruСоловьёвМ. А.Solov’evM. A.

Соловьёв Михаил Алексеевич – инженер-конструктор, кафедра СМ10 «Колёсные машины», инжиниринговый центр им. А.А. Липгарта

г. Москва 105005

Solov’ev M.A. – design engineer, Department SM10 “Wheeled vehicles”, Engineering Center named after A.A. Liphart

Moscow 105005

 

solovyevma@bmstu.ruПрохоровИ. В.ProkhorovI. V.

Прохоров Иван Владимирович – старший преподаватель кафедры СМ10 «Колёсные машины», инжиниринговый центр им. А.А. Липгарта

г. Москва 105005

Prokhorov I.V. – senior lecturer, Department SM10 “Wheeled vehicles”, Engineering Center named after A.A. Liphart

Moscow 105005

prokhorov_iv@bmstu.ruФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»РоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian Federation202426092024034756Copyright © Бутарович Д.О., Соловьёв М.А., Прохоров И.В., 20242024Бутарович Д.О., Соловьёв М.А., Прохоров И.В.Butarovich D.O., Solov’ev M.A., Prokhorov I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nami.elpub.ru/jour/article/view/338

Введение (постановка задачи и актуальность). Актуальность работы обусловлена особенностью эксплуатации низкотемпературных водородных топливных элементов (ТЭ) с протонообменной мембраной. Рабочая температура таких силовых установок ниже, чем у двигателя

внутреннего сгорания, максимальная температура охлаждающей жидкости (ОЖ) рассматриваемого ТЭ составляет 80°С. Для обеспечения такой рабочей температуры радиаторы системы охлаждения должны иметь большую площадь теплоотвода, габаритные размеры и вес. Оценка эффективности систем охлаждения ТЭ позволяет создавать конструкции с более рациональными параметрами.

Цель исследования – определение мощности рассеивания тепла жидкостного радиатора охлаждения в различных условиях работы ТЭ.

Методология и методы

Методология и методы. В ходе выполнения работы была разработана имитационная модель системы охлаждения ТЭ для определения гидравлического сопротивления и расхода ОЖ. Далее была создана конечно-элементная модель участка радиатора, с помощью которой был проведён расчёт мощности рассеивания тепла для двух условий работы ТЭ.

Результаты и научная новизна. В результате расчёта были получены значения мощности теплоотвода системы охлаждения ТЭ при температуре окружающей среды 20 и 30°С.

Практическая значимость

Практическая значимость. Результаты исследования помогут в понимании выбора параметров системы охлаждения для энергетических установок на базе ТЭ.

Introduction (problem statement and relevance). The relevance of the study is determined by specific operational features of low-temperature proton-exchange membrane hydrogen fuel cells (FC). The operating temperature of such power plants is lower than in case of an internal combustion engine, the maximum coolant temperature of the FC in question is 80°С. In order to ensure this operating temperature, the cooling system radiators shall have a large heat sink or removal area, overall dimensions and weight. Assessment of the FC cooling system efficiency allows creating designs with more rational parameters.

The purpose of the study is to determine the heat dissipation capacity of a liquid cooling radiator in various operating conditions of the FC.

Methodology and research methods. In the course of the work, a simulation model of a FC cooling system has been developed in order to determine the hydraulic resistance and coolant flow rate. After that, a finite element model of a radiator portion has been created, which served for heat dissipation capacity calculation for two operating conditions of the FC.

Scientific novelty and results. As a result of the calculation, the values of heat removal capacity of the FC cooling system at ambient temperatures of 20°С and 30°С have been obtained.

Practical significance. The results of the study will help to understand the choice of parameters of a cooling system for FC power units and plants.

система охлаждениятопливный элементгидравлическое сопротивлениемощность теплоотводаcooling systemfuel cellhydraulic resistanceheat removal capacityReferencesRamezanizadeh M., Nazari M.A., Ahmadi M.H., Chen L. A review on the approaches applied for cooling fuel cells // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2019. – V. 139. – Р. 517–525.Ramezanizadeh M., Nazari M.A., Ahmadi M.H., Chen L. A review on the approaches applied for cooling fuel cells. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2019, vol. 139, pp. 517–525.Andisheh Tadbir M., Shahsavari S., Bahrami M., Kjeang K. Thermal management of an air-cooled PEM fuel cell: cell level simulation / ASME 2012 10th International Conference on Fuel Cell Science, Engineering and Technology collocated with the ASME 2012 6th International Conference on Energy Sustainability, 2012. – 7 p.Andisheh Tadbir M., Shahsavari S., Bahrami M., Kjeang K. Thermal management of an air-cooled PEM fuel cell: cell level simulation. ASME 2012 10th International Conference on Fuel Cell Science, Engineering and Technology collocated with the ASME 2012 6th International Conference on Energy Sustainability, 2012. 7 p.Huang Z., Jian Q. Cooling efficiency optimization on air-cooling PEMFC stack with thin vapor chambers // Applied Thermal Engineering. – 2022. – V. 217. – P. 119238.Huang Z., Jian Q. Cooling efficiency optimization on air-cooling PEMFC stack with thin vapor chambers. Applied Thermal Engineering, 2022, vol. 217, pp. 119238.Boudghene Stambouli A., Traversa E. Solid oxide fuel cells (SOFCs): a review of an environmentally clean and efficient source of energy // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2002. – V. 6. – Iss. 5. – P. 433–455.Boudghene Stambouli A., Traversa E. Solid oxide fuel cells (SOFCs): a review of an environmentally clean and efficient source of energy. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2002, vol. 6, iss. 5, pp. 433–455.Basualdo M.S., Feroldi D., Outbib R. PEM fuel cells with bio-ethanol processor systems: a multidisciplinary study of modelling, simulation, fault diagnosis and advanced control. – London: Springer, 2012. – 462 p.Basualdo M.S., Feroldi D., Outbib R. PEM fuel cells with bio-ethanol processor systems: a multidisciplinary study of modelling, simulation, fault diagnosis and advanced control. London, Springer, 2012. 462 p.Wu M., Zhang H., Zhao J., Wang F., Yuan J. Performance analyzes of an integrated phosphoric acid fuel cell and thermoelectric device system for power and cooling cogeneration // International Journal of Refrigeration. – 2018. – V. 89. – P. 61–69.Wu M., Zhang H., Zhao J., Wang F., Yuan J. Performance analyzes of an integrated phosphoric acid fuel cell and thermoelectric device system for power and cooling cogeneration. International Journal of Refrigeration, 2018, vol. 89, pp. 61–69.Fakhreddine O., Gharbia Y., Derakhshandeh J.F., Amer A.M. Challenges and solutions of hydrogen fuel cells in transportation systems: a review and prospects // World Electric Vehicle Journal. – 2023. – No. 14 (6). – P. 156.Fakhreddine O., Gharbia Y., Derakhshandeh J.F., Amer A.M. Challenges and solutions of hydrogen fuel cells in transportation systems: a review and prospects. World Electric Vehicle Journal, 2023, no. 14 (6), p. 156.Thomas C.E. Fuel cell and battery electric vehicles compared // International Journal of Hydrogen Energy. – 2009. – V. 34. – Iss. 15. – P. 6005–6020.Thomas C.E. Fuel cell and battery electric vehicles compared. International Journal of Hydrogen Energy, 2009, vol. 34, iss. 15, pp. 6005–6020.Дугин Г.С., Григорьев С.А. Новые возможности использования топливных элементов на транспортных средствах // Транспорт на альтернативном топливе. – 2010. – № 2 (14). – С. 76–78.Dugin G.S., Grigor’ev S.A. [New possibilities for using fuel cells in vehicles]. Transport na al’ternativnom toplive, 2010, no. 2 (14), pp. 76–78. (In Russian)Lucia U. Overview on fuel cells // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2014. – V. 30. – P. 164–169.Lucia U. Overview on fuel cells. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, vol. 30, pp. 164–169.Карелин Д.Л., Болдырев А.В., Болдырев С.В., Колбина Т.Ю. Анализ испарительного и жидкостного методов охлаждения блоков топливных элементов методом относительных энергетических показателей // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. – 2023. – Т. 10, № 3. – С. 25–28.Karelin D.L., Boldyrev A.V., Boldyrev S.V., Kolbina T.Yu. [Analysis of evaporative and liquid cooling methods for fuel cell stack by the method of relative energy indicators]. Mashinostroenie: setevoy elektronnyy nauchnyy zhurnal, 2023, vol. 10, no. 3, pp. 25–28. (In Russian)Раинкина Л.Н. Гидромеханические расчёты трубопроводных систем с насосной подачей жидкости: Учебное пособие для выполнения курсовой работы. – М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004. – 76 с.Rainkina L.N. [Hydromechanical calculations of pipeline systems with pumped liquid supply: A textbook for course work]. Moscow, RSU of Oil and Gas named after I.M. Gubkin Publ., 2004. 76 p. (In Russian)MathWorks. Help Center. URL: https://www.mathworks.com/help/ (дата обращения: 15.12.2022).MathWorks. Help Center. Available at: https://www.mathworks.com/help/ (accessed 15 December 2022).Никитин О.Ф. Гидравлика и гидропневмопривод. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 414 с.Nikitin O.F. [Hydraulics and hydraulic pneumatic drive]. Moscow, BMSTU Publ., 2010. 414 p. (In Russian)Якубович А.И., Кухаренок Г.М., Тарасенко В.Е. Системы охлаждения тракторных и автомобильных двигателей. Конструкция, теория, проектирование. – Минск: Новое знание, 2013. – 472 с.Yakubovich A.I., Kukharenok G.M., Tarasenko V.E. [Cooling systems for tractor and automobile engines. Construction, theory, design]. Minsk, Novoe znanie Publ., 2013. 472 p. (In Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.