De ce pilele de combustie răcite cu aer au o durată de viață mai scurtă decât cele răcite cu apă?

În tehnologia pilelor de combustie, alegerea sistemului de răcire nu numai că afectează eficiența disipării căldurii, dar determină în mod direct și durata de viață a nucleului stivei. În spatele celor două abordări principale de răcire - răcirea cu aer și răcirea cu lichid - se află diferențe „la nivel genetic” care au impact asupra durabilității stivei.

În ceea ce privește mediul de răcire, care sunt diferențele dintre pile de combustie răcite cu aer și răcite cu apă ?

Sistemele răcite cu aer se bazează pe aer ca mediu de răcire. Aerul are o capacitate termică specifică scăzută, ceea ce înseamnă că are o capacitate limitată de a transporta căldură. În funcționarea reală, în interiorul stivei de pile de combustie se pot forma cu ușurință puncte fierbinți localizate. Această distribuție inegală a temperaturii nu numai că compromite performanța, dar accelerează și degradarea materialului - rata de degradare chimică a membranei de schimb de protoni și a straturilor de catalizator crește exponențial la temperaturi ridicate. Sistemele răcite cu lichid utilizează agenți de răcire cu capacități termice specifice mai mari (de obicei, un amestec de apă deionizată și etilen glicol). Este ca și cum ai construi o „autostradă termică” extrem de eficientă pentru... stivă de pile de combustie, care poate elimina uniform și rapid căldura de reacție, menținând stiva de pile de combustie funcționând în fereastra de temperatură optimă și cea mai uniformă, încetinind fundamental procesul de îmbătrânire a materialelor.

În ceea ce privește logica de control, care sunt diferențele dintre pilele de combustie răcite cu aer și cele răcite cu lichid?

Sistemele răcite cu aer se confruntă cu un compromis fundamental: același flux de aer servește atât la livrarea gazului (oxigen pentru reacțiile chimice), cât și la răcire. Pentru a disipa căldura, poate fi necesară creșterea fluxului de aer, dar acest lucru va elimina umezeala necesară electrodului membranei, provocând uscarea membranei; pentru a reține apa, disiparea căldurii poate fi sacrificată, ducând la supraîncălzire. Această fragilitate a echilibrului hidrotermal menține stiva de pile de combustie într-o stare de „stres” pentru o perioadă lungă de timp. Însă sistemul de răcire cu lichid realizează o decuplare funcțională perfectă: calea fluxului de aer este dedicată alimentării cu aer, iar calea agentului de răcire este dedicată controlului temperaturii. Ambele sunt optimizate independent prin sistemul de control, asigurându-se că stiva de pile de combustie funcționează întotdeauna la „punctul ideal” de temperatură și umiditate optime. Acest mediu intern stabil și controlabil este fundamentul duratei sale lungi de viață.

În ceea ce privește răspunsul la condițiile de funcționare, care sunt diferențele dintre pilele de combustie răcite cu aer și cele răcite cu lichid?

Stivele răcite cu aer prezintă adesea caracteristici de putere de ieșire „auto-accelerată”: sarcină crescută → generare sporită de căldură → flux de aer mai mare necesar pentru răcire → uscarea ansamblului electrodului membranei → rezistență internă crescută → mai multă căldură reziduală. Aceasta creează o buclă de feedback pozitiv instabilă. Mai important, ciclurile frecvente și extreme rezultate, umed-uscat, supun stratul de catalizator, stratul de difuzie a gazelor și membrana la solicitări mecanice imense, ducând la deteriorări fizice precum delaminarea și fisurarea. Sistemele de răcire cu lichid realizează o reglare activă și lină a puterii prin pompe externe și control în buclă închisă. Debitul și temperatura lichidului de răcire răspund precis și rapid la schimbările de sarcină, minimizând fluctuațiile stării interne a stivei. Dilatarea/contracția termică redusă și ciclurile umed-uscat sporesc în mod natural durabilitatea structurilor materialelor.

În ceea ce privește mediul de viață, care sunt diferențele dintre pilele de combustie răcite cu aer și cele răcite cu lichid?

Răcirea cu aer înseamnă că catodul (electrodul de aer) al stivei de pile de combustie este expus direct mediului înconjurător. Contaminanții din aer, cum ar fi praful, sarea și sulfurile, pot pătrunde cu ușurință și pot adera direct la catalizatorul scump de platină, blocând porii stratului de difuzie a gazelor. Această contaminare a stratului de catalizator este una dintre principalele cauze ale degradării ireversibile a performanței. Sistemele de răcire cu lichid, pe de altă parte, au de obicei admisia de aer a catodului filtrată riguros, iar întreaga stivă de pile de combustie este adăpostită într-o carcasă relativ închisă, oferind protecție la nivel de „cameră curată” pentru stratul de catalizator și încetinind semnificativ degradarea performanței cauzată de contaminare.

În scurt, pile de combustie răcite cu aer seamănă cu „sprinteri” talentați care necesită medii dure: au o structură simplă, pornesc rapid și sunt ieftini. Se potrivesc aplicațiilor ușoare, intermitente, cu cerințe de durată de viață relativ reduse, cum ar fi dronele și vehiculele cu viteză mică. Pilele de combustie răcite cu lichid, însă, sunt „campionii anduranței” construiți pentru maratoane. Prin sisteme mai complexe și mai sofisticate, acestea prioritizează stabilitatea pe termen lung. Accentul lor este pus pe durabilitate, ceea ce le face o alegere cheie pentru aplicațiile obișnuite, cum ar fi vehiculele de pasageri, camioanele comerciale și generarea staționară de energie.