A numerical stack model has been developed to predict the temperature at a constant-load operation of molten carbonate fuel cell stacks. For the validity of the model, the simulated results with several boundary conditions were compared in the cell temperature data obtained from 75 kW class MCFC stack operation. It was shown that the simulated results with the existing boundary condition, which the stack outlet temperature was fixed at $650^{\circ}C$, didn't match well with the measured data. On the other hand, the stack model with the outlet temperature modified by the outlet manifold temperature measured from the stack under several electric loads was found to explain the measured cell temperature distribution well. The results show that the model can be used to predict the cell temperature distribution in the stacks by the measurement of the manifold outlet temperature.
Temperature characteristics in a stack of molten carbonate fuel cell (MCFC) have been investigated with simulation based on the computational fluid dynamics (CFD) codes and experimental way. The MCFC has generally two stack structures when the natural gas is used as fuel; one is the external reforming type and the other is internal reforming type. Computer simulation at the external reforming stack suggests that the maximum temperature in the stack depends on the gas flow length. The 2 kW MCFC stack with 25 cm gas flow length showed about $675^\circ{C}$ of maximum temperature.
There is a close relation between the heat generation in the fuel cell stack and the fuel cell performance. In PEM fuel Gell vehicles, the stack coolant temperature is about $65^{\circ}C$, which is far lower than that for general automobile engine. Therefore, it is hard to release heat generated in the stack by using a radiator of limited size because of the reduced temperature difference between the coolant and the ambient air. In this study, indirect stack cooling system using $CO_2$ heat pump was designed and its stack cooling performance in releasing heat to the ambient was investigated. This work focuses on a series of processes that grasp the relation among the fuel cell power, the radiator capacity and the stack temperature. The purpose of this work is to find out a way to properly release sufficient amount of heat through the finite sized radiator, so that the stack power general ion can not be deteriorated due to the stack temperature increase. The optimization between the compressor power consumption and the fuel cel1 output power can be carried out to maximize the performance of fuel cell system.
High-Temperautre Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (HT-PEMFC) with phosphoric acid-doped polybenzimidazole (PBI) membrane has high power density because of high operating temperature from 100 to $200^{\circ}C$. In fuel cell stack, heat is generated by electrochemical reaction and high operating temperature makes a lot of heat. This heat is caouse of durability and performance decrease about stack. For these reasons, heat management is important in HT-PEMFC. So, we developed HT-PEMFC model and study heat flow in HT-PEMFC stack. In this study, we placed coolant plate number per cell number ratio as variable and analysed heat flow distribution in stack.
There is close relation between the heat generation in the fuel cell stack and the fuel performance. In PEM fuel cell vehicles, the stack coolant temperature is about $65^{\circ}C$, which is far lower than that for general automobile engine. Therefore, it is hard to release heat generated in the stack by using a radiator of limited size because of the reduced temperature difference between the coolant and the ambient air. In this study, indirect stack cooling system using $CO_2$ heat pump was designed and its stack cooling performance in releasing heat to the ambient was investigated. This work focuses on a series of processes that grasp the relation among the fuel cell power, the radiator capacity and the stack temperature. The purpose of this work is to find out a way to properly release sufficient amount of heat through the finite sized radiator, so that the slack power generation can not be deteriorated due to the stack temperature increase. The optimization between the compressor power consumption and the fuel cell output power can be carried out to maximize the performance of fuel cell system.
Feul-Cell system consists of fuel reformer, stack and energy translator. Among these parts, stack is a core part which produces electricity directly. In order to set a stack module, fabrication of appropriate stack, design of water flow path in stack and control of coolant are needed. Especially, oater or air is used as a coolant to dissipate heat. The different temperature of each electric cell after cooling affects the performance of the stack. Therefore, it is necessary that the relationship between coolant hearing rate, width of stack, properties of stack, and the shape of water flow path must be understood. For the optimal design, the computational simulation by CFD-ACE has been conducted and the resulting database has been constructed.
정재파 열음향 냉각기의 스텍에서의 온도 구배와 냉각기 효율의 관계에 대한 연구를 수행하였다. 스택에서의 로트식 (Rott Equation) 을 이용하여, 스택을 통과하는 엔탈피 플럭스의 크기가 크게 되면, 스택에서의 온도구배가 비선형의 특성을 나타내는 것을 밝혀내었다. 또한 이런 비선형의 스택 온도구배가 열음향 냉각기의 냉각 효율을 저하시키는 것을 확인하였다. 1/4 파장의 정재파 열음향 냉각기를 이용한 시뮬레이션을 통해, 특정길이의 스택에 대해 냉각 용량이 커질수록, 또한 특정냉각 용량에 대해, 스택의 길이가 길어질수록 비선형의 스택 온도구배가 크게 일어남을 알아낼 수 있었다.
Feul-cell system consists of fuel reformer, stack and energy translator. Among these parts, slack is a core part which produces electricity directly. In order to set a stack module, fabrication of appropriate stack, design of water flow path in stack, and control of coolant are needed. Especially, water or air is used as a coolant to dissipate heat. The different temperature of each electric cells after cooling and the high temperature of the stack affect the performance of the stack, Therefore, it is necessary that the relationship between coolant, healing rate, width of slack, properties of stack, and the shape of water flow path must be understood. For the optimal design, the computational simulation by CFD-ACE has been conducted and the resulting database has been constructed.
A 50W class MCFC stack was operated in order to test a new design of the circular shaped separator. in the new design, the anode gas was supplied into the stack and was exhausted out of the stack after the anode reaction. The exhausted gas was reacted with the cathode gas supplied with excess oxygen in the vessel in which the stack was placed. Then the reacted gas flowed into the cathode side of the stack and was exhausted through the outlet located in the center of the stack. The average voltage of the single cells in the stack was 0.835V under the current density of $150mA/cm^2$, initially, and the degradation rate of the stack voltage was 1.7%/1,000h. High stack voltage with good stability of the present stack was due to the small temperature gradient in the stack. The small temperature gradient as well as the easiness of temperature control was the result of the new configuration of the separator which utilized the heat of the combustion reaction between anode outlet gas and the cathode inlet gas for heating the stack.
Research on High temperature polymer electrolyte fuel cell (HT-PEMFC) has actively been conducted all over the world. Since the HT-PEMFC can be operated at a high temperature of $120-180^{\circ}C$ using phosphoric acid-doped polybenzimidazole (PBI) electrolyte membrane, it has considerable advantages over conventional PEMFC in terms of operating conditions and system efficiency. However, If the thermal distribution is not uniform in the stack unit, degradation due to local reaction and deterioration of lifetime are difficult to prevent. The thin plate separator reduces the volume of the fuel cell stack and improves heat transfer, consequently, enhancing the cooling effect. In this paper, a large area flow field of thin plate separator for HT-PEMFC is designed and sub-stack is fabricated. We have studied stack performance evaluation under various operating conditions and it has been verified that the proposed design can achieve acceptable stack performance at a wide operating range.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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