Schema de răcire pentru gestionarea termică a celulelor de combustibil cu membrană de schimb de protoni (PEMFC)

Celule de combustibil cu membrană de schimb de protoni (PEMFC) Laudă avantaje, cum ar fi eficiența ridicată, curățenia și emisiile zero, ceea ce le face promițătoare pentru aplicarea pe scară largă. În aplicații practice, 40% până la 60% din energia chimică din combustibil este transformată în energie electrică, în timp ce energia rămasă este transformată în cea mai mare parte în energie termică. Dacă căldura nu poate fi disipată prompt din celulă, temperatura sistemului va continua să crească, ceea ce duce la supraîncălzirea localizată a celulelor individuale sau a zonelor specifice din interiorul celulei, afectând sever funcționarea normală a celulei de combustibil.

I. Importanța managementului termic

Principalele surse de căldură în procesul de funcționare a celulelor de combustibil sunt încălzirea cu rezistență ohmică, căldura entropiei de reacție, căldura ireversibilă de reacție electrochimică, eliberarea de căldură a condensului cu vapori de apă, căldura aerului comprimată și căldura radiațiilor de mediu, ultimele două pot fi ignorate.

Ii. Schema de răcire pentru celulele de combustibil

Principalele căi de disipare a căldurii pentru celulele de combustibil sunt de trei ori: vaporizarea apei din interiorul celulei, răcirea radiativă a stivei și îndepărtarea căldurii prin circulația mediilor de răcire. Aceasta din urmă este metoda principală de disipare a căldurii pentru celulele de combustibil. Pentru PEMFC, metodele de răcire pot fi clasificate pe larg în două tipuri: răcirea monofazată și răcirea schimbărilor de fază.

1. Răcire monofazată

Metoda de răcire monofazată este de a utiliza căldura sensibilă a mediului de răcire pentru a elimina căldura generată în procesul de lucru al celulelor de combustibil. Există două tipuri: răcirea aerului și răcirea lichidului, care sunt cea mai utilizată tehnologie de răcire în prezent.

(1) Răcire de aer

Răcirea aerului este cea mai simplă metodă de răcire, unde aerul trece prin plăci de răcire sau catodii pentru a transmite căldura reziduală generată de celulele de combustibil. Structura sistemului de răcire este, de asemenea, relativ simplă. Acest tip de disipare a căldurii este utilizat în mod obișnuit în sistemele PEMFC cu putere redusă (≤5kW) care au mai puține componente, costuri mai mici și o eficiență mai mare a sistemului, cum ar fi în sistemele de alimentare cu drone și surse de energie portabile.

Sistem de celule de combustibil cu răcire cu aer

(2) Răcire lichidă

Răcirea lichidă este proiectată pentru a separa calea de curgere a lichidului de răcire între catodul și plăcile anodice ale celulei de combustibil și se bazează pe transferul de căldură cu convecție forțată a lichidului de răcire pentru a îndepărta căldura generată în timpul funcționării celulei de combustibil.

Lichidul de răcire poate fi apă deionizată sau un amestec de apă și etilen glicol. Capacitatea specifică de căldură a lichidelor este mai mare decât cea a aerului, ceea ce face răcirea lichidului mai eficientă în ceea ce privește transferul de căldură și debitele mai mici în comparație cu răcirea aerului. Folosind răcirea lichidă, distribuția temperaturii în celulele de combustibil devine mai uniformă; Cu toate acestea, implică multe componente și structuri complexe, cu un consum semnificativ de energie pentru accesorii utilizate în disiparea căldurii, de obicei în jur de 10% din puterea de ieșire eficientă. Pentru celulele de combustibil cu putere mare (peste 5 kW), cum ar fi cele utilizate în vehicule, răcirea lichidă este cea mai frecvent folosită metodă.

Luați ca exemplu celula de combustibil a vehiculului, sistemul său de gestionare termică include în principal pompă de răcire, schimbător de căldură, rezervor de apă, ventilator, senzor de presiune și alte componente.

Iii. Răcirea schimbării de fază

Răcirea schimbărilor de fază este de a răci sursa de căldură folosind caracteristica de a absorbi o cantitate mare de căldură atunci când obiectul schimbă faza. Metodele de răcire a schimbărilor de fază utilizate frecvent în celulele de combustibil sunt răcirea evaporării și disiparea căldurii conductelor de căldură.

(1) Răcire evaporativă

Răcirea evaporativă a celulelor de combustibil implică lichidul de răcire și aerul care intră în sistem din partea catodului împreună. Lichidul de răcire utilizat de obicei este apa deionizată. Lichidul de răcire poate umida aerul, crescând conținutul de umiditate în membrana de schimb de protoni, sporind astfel performanța celulei de combustibil. În același timp, cea mai mare parte a lichidului de răcire este transportată în zona de miez a sursei de căldură de reacție de către aer și se evaporă, transportând căldura generată în timpul reacției. Un sistem de celule de combustibil de răcire evaporative nu necesită un umidificator, deoarece evaporarea și schimbul de căldură de condensare sunt mai eficiente decât schimbul de căldură cu convecție monofazată, reducând semnificativ sarcina pe pompa de apă de răcire și radiatorul.

(2) Țeavă de căldură disiparea căldurii

Răcirea conductelor de căldură implică încorporarea conductei de căldură într -o placă bipolară. În absența puterii externe, conducta de căldură transferă o cantitate mare de căldură pe distanțe lungi prin zona sa în secțiune transversală pentru răcire. Materialul conductei de căldură este de obicei aliaj de cupru sau aluminiu, asigurându-se că temperatura la sursa de căldură rămâne bine distribuită. Cercetările privind aplicarea tehnologiei de răcire a conductelor de căldură în aplicațiile cu celule de combustibil este încă în stadiile sale incipiente și necesită o dezvoltare suplimentară.

Gestionarea termică este crucială pentru performanța celulelor de combustibil, afectând eficiența, durata de viață și siguranța acestora. În prezent, cea mai utilizată tehnologie în câmpul celulelor de combustibil este răcirea monofazată. Tehnologia de răcire a schimbărilor de fază, cu uniformitatea și eficiența ridicată, este o direcție de cercetare extrem de promițătoare. În același timp, strategiile eficiente de control al gestionării termice sunt esențiale pentru a asigura funcționarea corectă a celulelor de combustibil. De exemplu, atunci când temperatura celulei de combustibil crește și sistemul de gestionare termică nu poate asigura o disipare a căldurii suficiente, strategiile de control pe platforma sistemului de alimentare ar trebui să ia în considerare măsuri precum limitarea puterii de ieșire a celulei de combustibil pentru a -și îmbunătăți durata de viață, siguranța și durabilitate. Pentru a îmbunătăți capacitatea de disipare a căldurii a sistemului de gestionare termică a celulelor de combustibil, trebuie să se depună eforturi pentru a crește temperatura de funcționare a celulei de combustibil și pentru a îmbunătăți caracteristicile de temperatură ale materialelor cu celule de combustibil. De exemplu, dacă temperatura de funcționare a celulei de combustibil este crescută la 95 ℃, capacitatea de disipare a căldurii a sistemului de gestionare termică poate fi îmbunătățită cu mai mult de 50%.