Perché le celle a combustibile raffreddate ad aria hanno una durata di vita più breve rispetto a quelle raffreddate ad acqua?

Nella tecnologia delle celle a combustibile, la scelta del sistema di raffreddamento non solo influisce sull'efficienza di dissipazione del calore, ma determina anche direttamente la durata di vita del nucleo della pila. Dietro i due approcci di raffreddamento più diffusi – raffreddamento ad aria e raffreddamento a liquido – si celano differenze "genetiche" che incidono sulla durata della pila.

In termini di mezzi di raffreddamento, quali sono le differenze tra celle a combustibile raffreddate ad aria e ad acqua ?

I sistemi raffreddati ad aria utilizzano l'aria come mezzo di raffreddamento. L'aria ha una bassa capacità termica specifica, il che significa che ha una capacità limitata di trasportare calore. Durante il funzionamento effettivo, si possono facilmente formare punti caldi localizzati all'interno della pila di celle a combustibile. Questa distribuzione non uniforme della temperatura non solo compromette le prestazioni, ma accelera anche la degradazione dei materiali: la velocità di degradazione chimica della membrana a scambio protonico e degli strati del catalizzatore aumenta esponenzialmente alle alte temperature. I sistemi raffreddati a liquido utilizzano refrigeranti con capacità termiche specifiche più elevate (tipicamente una miscela di acqua deionizzata e glicole etilenico). È come costruire una "autostrada del calore" ad alta efficienza per... pila di celle a combustibile, che può rimuovere in modo uniforme e rapido il calore di reazione, mantenendo la pila di celle a combustibile in funzione nella finestra di temperatura ottimale e più uniforme, rallentando fondamentalmente il processo di invecchiamento dei materiali.

In termini di logica di controllo, quali sono le differenze tra celle a combustibile raffreddate ad aria e celle a combustibile raffreddate a liquido?

I sistemi raffreddati ad aria si trovano ad affrontare un compromesso fondamentale: lo stesso flusso d'aria serve sia all'erogazione del gas (ossigeno per le reazioni chimiche) sia al raffreddamento. Per dissipare il calore, potrebbe essere necessario aumentare il flusso d'aria, ma questo eliminerebbe l'umidità necessaria all'elettrodo della membrana, causandone l'essiccazione; per trattenere l'acqua, la dissipazione del calore potrebbe essere sacrificata, con conseguente surriscaldamento. Questa fragilità dell'equilibrio idrotermico mantiene la pila di celle a combustibile in uno stato di "stress" per lungo tempo. Il sistema di raffreddamento a liquido, invece, raggiunge un perfetto disaccoppiamento funzionale: il percorso del flusso d'aria è dedicato all'alimentazione dell'aria, mentre il percorso del refrigerante è dedicato al controllo della temperatura. Entrambi sono ottimizzati in modo indipendente dal sistema di controllo, garantendo che la pila di celle a combustibile funzioni sempre al suo "punto ottimale" di temperatura e umidità. Questo ambiente interno stabile e controllabile è il fondamento della sua lunga durata.

In termini di risposta alle condizioni operative, quali sono le differenze tra celle a combustibile raffreddate ad aria e celle a combustibile raffreddate a liquido?

Gli stack raffreddati ad aria presentano spesso caratteristiche di potenza in uscita "auto-accelerate": aumento del carico → maggiore generazione di calore → maggiore flusso d'aria necessario per il raffreddamento → essiccazione dell'assemblaggio degli elettrodi a membrana → maggiore resistenza interna → maggiore calore di scarto. Ciò crea un ciclo di feedback positivo instabile. Ancora più critico, i cicli frequenti ed estremi bagnato-asciutto che ne risultano sottopongono lo strato del catalizzatore, lo strato di diffusione del gas e la membrana a un immenso stress meccanico, causando danni fisici come delaminazione e cricche. I sistemi di raffreddamento a liquido consentono una regolazione attiva e fluida della potenza tramite pompe esterne e controllo a circuito chiuso. Il flusso e la temperatura del refrigerante rispondono in modo preciso e rapido alle variazioni di carico, riducendo al minimo le fluttuazioni nello stato interno dello stack. La riduzione dell'espansione/contrazione termica e dei cicli bagnato-asciutto migliorano naturalmente la durabilità delle strutture dei materiali.

In termini di ambiente di vita, quali sono le differenze tra le celle a combustibile raffreddate ad aria e quelle raffreddate a liquido?

Il raffreddamento ad aria implica che il catodo (elettrodo ad aria) della pila di celle a combustibile sia direttamente esposto all'ambiente. Contaminanti atmosferici come polvere, sale e solfuri possono penetrare facilmente e aderire direttamente al costoso catalizzatore al platino, avvelenandolo, ostruendo i pori dello strato di diffusione del gas. Questa contaminazione dello strato del catalizzatore è una delle principali cause di degrado irreversibile delle prestazioni. I sistemi di raffreddamento a liquido, d'altra parte, in genere hanno l'aspirazione dell'aria del catodo rigorosamente filtrata e l'intera pila di celle a combustibile è alloggiata in un involucro relativamente chiuso, garantendo una protezione di livello "camera bianca" per lo strato del catalizzatore e rallentando significativamente il degrado delle prestazioni causato dalla contaminazione.

Insomma, celle a combustibile raffreddate ad aria assomigliano a "velocisti" dotati che necessitano di ambienti difficili: struttura semplice, avvio rapido e costi contenuti. Sono adatte ad applicazioni leggere e intermittenti con esigenze di durata relativamente bassa, come droni e veicoli a bassa velocità. Le celle a combustibile raffreddate a liquido, tuttavia, sono le "campionesse di resistenza" costruite per le maratone. Attraverso sistemi più complessi e sofisticati, danno priorità alla stabilità a lungo termine. La loro attenzione è rivolta alla durabilità, il che le rende una scelta chiave per applicazioni tradizionali come veicoli passeggeri, camion commerciali e generatori di energia stazionari.