Schema di raffreddamento per la gestione termica della cella a combustibile a membrana di scambio di protoni (PEMFC)

Celle a combustibile a membrana di scambio protonico (PEMFC) Vantare vantaggi come l'alta efficienza, la pulizia e le emissioni zero, rendendoli promettenti per un'applicazione diffusa. In applicazioni pratiche, dal 40% al 60% dell'energia chimica dal combustibile viene convertito in energia elettrica, mentre l'energia rimanente viene per lo più convertita in energia termica. Se il calore non può essere prontamente dissipato dalla cella, la temperatura del sistema continuerà a salire, portando al surriscaldamento localizzato di singole celle o aree specifiche all'interno della cella, influendo fortemente sul normale funzionamento della cella a combustibile.

I. Importanza della gestione termica

Le principali fonti di calore nel processo di funzionamento delle celle a combustibile sono il riscaldamento della resistenza ohmica, il calore dell'entropia di reazione, il calore irreversibile di reazione elettrochimica, il rilascio di calore di condensazione del vapore acqueo, il calore dell'aria compressa e il calore delle radiazioni ambientali, gli ultimi due possono essere ignorati.

Ii. Schema di raffreddamento per le celle a combustibile

I principali percorsi di dissipazione del calore per le celle a combustibile sono triplici: vaporizzazione dell'acqua all'interno della cella, raffreddamento radiativo della pila e rimozione del calore circolando mezzi di raffreddamento. Quest'ultimo è il metodo principale di dissipazione del calore per le celle a combustibile. Per i PEMFC, i metodi di raffreddamento possono essere ampiamente classificati in due tipi: raffreddamento a fase monofase e raffreddamento del cambiamento di fase.

1. Raffreddamento monofase

Il metodo di raffreddamento a fase monofase consente di utilizzare il calore sensibile del mezzo di raffreddamento per togliere il calore generato nel processo di lavoro della cella a combustibile. Esistono due tipi: raffreddamento ad aria e raffreddamento liquido, che sono attualmente la tecnologia di raffreddamento più utilizzata.

(1) raffreddamento dell'aria

Il raffreddamento dell'aria è il metodo più semplice di raffreddamento, in cui l'aria passa attraverso piastre di raffreddamento o catodi per trasportare il calore dei rifiuti generato dalle celle a combustibile. Anche la struttura del sistema di raffreddamento è relativamente semplice. Questo tipo di dissipazione del calore è comunemente usato nei sistemi PEMFC a bassa potenza (≤5kW) che hanno meno componenti, costi inferiori e maggiore efficienza del sistema, come nei sistemi di alimentazione dei droni e nelle fonti di alimentazione portatili.

Sistema di celle a combustibile con raffreddamento dell'aria

(2) raffreddamento liquido

Il raffreddamento liquido è progettato per separare il percorso di flusso del liquido di raffreddamento tra le piastre di catodo e anodo della cella a combustibile e si basa sul trasferimento di calore a convezione forzata del liquido di raffreddamento per rimuovere il calore generato durante il funzionamento della cella a combustibile.

Il refrigerante può essere acqua deionizzata o una miscela di acqua e glicole etilenico. La capacità termica specifica dei liquidi è maggiore di quella dell'aria, rendendo il raffreddamento a liquido più efficiente in termini di trasferimento di calore e portate più basse rispetto al raffreddamento dell'aria. Usando il raffreddamento liquido, la distribuzione della temperatura nelle celle a combustibile diventa più uniforme; Tuttavia, coinvolge molti componenti e strutture complesse, con un consumo di energia significativo per gli accessori utilizzati nella dissipazione del calore, in genere circa il 10% della potenza di uscita effettiva. Per celle a combustibile ad alta potenza (oltre 5 kW), come quelle utilizzate nei veicoli, il raffreddamento liquido è il metodo più comunemente impiegato.

Prendi la cella a combustibile del veicolo come esempio, il suo sistema di gestione termica include principalmente la pompa del refrigerante, lo scambiatore di calore, il serbatoio dell'acqua, la ventola, il sensore di pressione e altri componenti.

Iii. Cambiamento di fase Il raffreddamento

Il raffreddamento del cambio di fase consente di raffreddare la fonte di calore usando la caratteristica dell'assorbimento di una grande quantità di calore quando l'oggetto cambia fase. I metodi di raffreddamento del cambio di fase comunemente utilizzati nelle celle a combustibile sono il raffreddamento dell'evaporazione e la dissipazione del calore del tubo di calore.

(1) raffreddamento evaporativo

Il raffreddamento evaporativo delle celle a combustibile prevede il liquido di raffreddamento e l'aria che entra nel sistema dal lato catodo insieme. Il liquido di raffreddamento tipicamente utilizzato è l'acqua deionizzata. Il refrigerante può umidificare l'aria, aumentando il contenuto di umidità nella membrana di scambio di protoni, migliorando così le prestazioni della cella a combustibile. Allo stesso tempo, la maggior parte del refrigerante viene trasportata nell'area centrale della fonte di calore di reazione dall'aria ed evapora, portando via il calore generato durante la reazione. Un sistema di celle a combustibile per il raffreddamento evaporativo non richiede un umidificatore, poiché lo scambio di calore di evaporazione e condensazione è più efficiente dello scambio di calore convezione monofase, riducendo significativamente il carico sulla pompa dell'acqua di raffreddamento e sul radiatore.

(2) Dissipazione del calore del tubo di calore

Il raffreddamento del tubo di calore comporta l'incorporamento del tubo di calore in una piastra bipolare. In assenza di energia esterna, il tubo di calore trasferisce una grande quantità di calore su lunghe distanze attraverso la sua area trasversale per il raffreddamento. Il materiale del tubo di calore è in genere in rame o lega di alluminio, garantendo che la temperatura nella fonte di calore rimanga ben distribuita. La ricerca sull'applicazione della tecnologia di raffreddamento dei tubi di calore nelle applicazioni delle celle a combustibile è ancora nelle prime fasi e richiede un ulteriore sviluppo.

La gestione termica è cruciale per le prestazioni delle celle a combustibile, influenzando la loro efficienza, durata e sicurezza. Attualmente, la tecnologia più utilizzata nel campo delle celle a combustibile è il raffreddamento monofase. La tecnologia di raffreddamento del cambiamento di fase, con la sua uniformità e alta efficienza, è una direzione di ricerca altamente promettente. Allo stesso tempo, efficaci strategie di controllo della gestione termica sono fondamentali per garantire il corretto funzionamento delle celle a combustibile. Ad esempio, quando la temperatura della cella a combustibile aumenta e il sistema di gestione termica non può fornire una sufficiente dissipazione del calore, le strategie di controllo sulla piattaforma del sistema di alimentazione dovrebbero prendere in considerazione misure come limitare la potenza di uscita della cella a combustibile per migliorare la sua durata, la sicurezza e durata. Per migliorare la capacità di dissipazione del calore del sistema di gestione termica delle celle a combustibile, devono anche essere compiuti sforzi per aumentare la temperatura operativa della cella a combustibile e migliorare le caratteristiche di temperatura dei materiali delle celle a combustibile. Ad esempio, se la temperatura operativa della cella a combustibile viene aumentata a 95 ℃, la capacità di dissipazione del calore del sistema di gestione termica può essere migliorata di oltre il 50%.