Evaluation and loss estimation of a high-speed permanent magnet synchronous machine with hairpin windings for high-volume fuel cell applications

High-speed machines offer several advantages, such as small sizes, avoidance of mechanical gears, and low maintenance, which has led to considerable research dedicated to them in the past decade. In recent times, rectangular wire windings with a hairpin structure have gained prominence in traction motors in the electromobility sector due to their high slot fill factor, simple production, and good thermal properties. Taking these advantages into consideration, this paper analyzes the possibility of using a high-speed permanent magnet synchronous machine (PMSM) with hairpin windings as an electric turbo compressor in fuel cell applications and outlines the critical design aspects.

Fuel Cell designing with optimal high speed air compressor

This paper discusses different air management technologies for fuel cell systems. Two different types of compressors are analyzed for Proton-exchange membrane fuel cells (PEMFC). Some important criteria are analyzed thoroughly for the selection of turbo compressor among different types of compressors illustrated with the help of matrix representations. The impacts of various input parameters for Fuel Cell (FC) are also explained thoroughly. Later the numerical modeling of an automobile fuel cell system using a high speed turbo-compressor for air supply is explained. The numerical model incorporates the important input parameters related with air and hydrogen. It also performed energy and mass balances across different components such as pump, fan, heat-exchanger, air compressor and also keeps in consideration the pressure drop across the flow pipes and various mechanical parts. The model is solved to obtain the characteristics of the FC system at different operating conditions. Therefore, it can be concluded that the high speed turbo compressor with a turbo-expander can have significant effects on the overall system power and efficiency.

Novel High-Speed Turbo Compressor With Integrated Inverter for Fuel Cell Air Supply

Fuel cell technology is continuously gaining ground in E-mobility applications. Fuel cells require a constant supply of pressurized air, for which high-speed turbo compressors with air bearings are an optimal choice to reduce size, guarantee oil-free operation required for the lifetime of the fuel cell, and increase efficiency. However, the inverter driving the electric motor of the turbo compressor does not scale down with increasing speed; therefore, other technology advances are required to achieve an overall compressor system with low weight. New power electronic topologies (double-bridge voltage sources inverter), cutting edge power semiconductor technology (gallium nitride), and multiobjective optimization techniques allow reducing the inverter size, increasing inverter efficiency, and improving the output current quality and in return lowering the losses in the electric motor. This enables the electrical, mechanical, and thermal integration of the inverter into the compressor housing of very high-speed and compact turbo compressors, thereby reducing the size and weight of the overall compressor system by a factor of two. Furthermore, a turbo compressor with an integrated inverter reduces complexity and cost for operators with savings in casing, cables, coolant piping, and connectors and reduces EMI noise by shielding the high-frequency motor currents with one housing. Beside its main application for fuel cell air supply, the advantages gained by an integrated inverter can also be used in other boosting and air handling applications such as advanced air and exhaust handling in combustion engines. The proposed integration concept is verified with a 280,000 rpm, 1 kW turbo compressor, targeted for the Balance of Plant (BoP) of a 5–15 kW fuel cell. The experimental results show that the temperature limits on the power electronics parts can be kept below the limit of 90 °C up to a coolant temperature of 55 °C, and beside the advantage of lower cabling effort, the efficiency of the compressor system (turbo compressor and integrated inverter) is increased by 5.5% compared to a turbo compressor without an integrated inverter.

Análise teórica versus experimental de um trocador de calor compacto do tipo tubo chato aletado (radiador automotivo)

Efetua-se uma análise de trocadores de calor compactos, dos tipos utilizados com frequência nas indústrias automotiva e aeronáutica. O trocador de calor compacto do tipo tubos chatos aletados foi analisado em maior profundidade, uma vez que o mesmo é extensamente utilizado em radiadores automotivos, objeto principal do presente trabalho. Um modelo teórico foi desenvolvido para determinação da taxa de transferência de calor e perda de carga para este tipo específico de trocador de calor compacto, através da aplicação da teoria da efetividade (ε-NUT). O radiador analisado é popularmente conhecido como radiador de água e é utilizado em caminhões médios, com capacidades de carga entre 15 e 20 toneladas. O caminhão, por hipótese, não tem turbo compressor, o que implica na ausência de radiador de ar, ou “intercooler”, e o ar que entra pelas aletas o faz à temperatura ambiente. Comparações teórica versus experimental foram efetuadas e resultados obtidos permitem concluir que as simulações realizadas estão consistentes, quando se assumem as hipóteses de entrada definidas como válidas para os experimentos. Critérios de parada para os processos iterativos, para determinação da taxa de transferência de calor e perda de carga, utilizam os dados experimentais disponíveis e necessitam serem refinados, através de expressões empíricas, para melhor caracterização e robustez do procedimento. Há, entretanto, escassez de expressões empíricas na literatura aberta para o tipo de trocador compacto analisado, pois as grandes corporações, construtoras de trocadores de calor compactos, não disponibilizam informações obtidas em seus laboratórios, uma vez que os dados são estratégicos para a sobrevivência.

Análise teórica versus experimental de um trocador de calor compacto do tipo tubo chato aletado (radiador automotivo)

Efetua-se uma análise de trocadores de calor compactos, dos tipos utilizados com frequência nas indústrias automotiva e aeronáutica. O trocador de calor compacto do tipo tubos chatos aletados foi analisado em maior profundidade, uma vez que o mesmo é extensamente utilizado em radiadores automotivos, objeto principal do presente trabalho. Um modelo teórico foi desenvolvido para determinação da taxa de transferência de calor e perda de carga para este tipo específico de trocador de calor compacto, através da aplicação da teoria da efetividade (ε-NUT). O radiador analisado é popularmente conhecido como radiador de água e é utilizado em caminhões médios, com capacidades de carga entre 15 e 20 toneladas. O caminhão, por hipótese, não tem turbo compressor, o que implica na ausência de radiador de ar, ou “intercooler”, e o ar que entra pelas aletas o faz à temperatura ambiente. Comparações teórica versus experimental foram efetuadas e resultados obtidos permitem concluir que as simulações realizadas estão consistentes, quando se assumem as hipóteses de entrada definidas como válidas para os experimentos. Critérios de parada para os processos iterativos, para determinação da taxa de transferência de calor e perda de carga, utilizam os dados experimentais disponíveis e necessitam serem refinados, através de expressões empíricas, para melhor caracterização e robustez do procedimento. Há, entretanto, escassez de expressões empíricas na literatura aberta para o tipo de trocador compacto analisado, pois as grandes corporações, construtoras de trocadores de calor compactos, não disponibilizam informações obtidas em seus laboratórios, uma vez que os dados são estratégicos para a sobrevivência.

Compressed Air Energy Storage for a Small Size Standalone Plant Powered by a Solar Power Unit and a Gas Turbine

Energy storage can balance heat and power demand and production over different time scales, with both technical and economic benefit. Several devices have been proposed, but only two are really utilized: hydro-pumped storage, for large size plants, and electrochemical battery energy storage, for medium and small plants. Compressed Air Energy Storage (CAES) was proposed as an alternative, and two well-known plants, Hunthorf (Germany) and Mac Intosh (United States) have been successfully working for many years. However, due to the huge capital costs, this concept never became widely popular. Here, a bit different approach is proposed: one or more reciprocating compressors and pressurized reservoirs can supply an additional amount of air to a gas turbine. During the “charging” phase, the reciprocating compressors pump air into the reservoirs; during the “discharging” phase, the turbo-expander is fed by both the turbo-compressor and the reservoirs in parallel. The turbo-compressor is partially relieved and fuel can be saved for the same power. This paper focuses on a standalone small size user, served by a solar power unit coupled with a micro gas turbine. The aim is to lay down rules for a proper storage managing.