Схема за охлаждане за термично управление на мембраната на протонната мембрана (PEMFC)

Горивни клетки на мембраната на протонната обмен (PEMFC) Похвалете предимства като висока ефективност, чистота и нулеви емисии, което ги прави обещаващи за широко приложение. В практически приложения 40% до 60% от химическата енергия от горивото се преобразува в електрическа енергия, докато останалата енергия се превръща най -вече в топлинна енергия. Ако топлината не може да се разсее незабавно от клетката, температурата на системата ще продължи да се повишава, което води до локализирано прегряване на отделни клетки или специфични области в клетката, като силно повлияе на нормалната работа на горивната клетка.

I. Значение на термичното управление

Основните източници на топлина в процеса на работа с горивни клетки са омесеното отопление на устойчивостта, реакционна ентропична топлина, необратима електрохимична реакционна топлина, топлинна топлинна кондензация на водната пара, топлината на сгъстената въздух и топлината на радиацията на околната среда, последните две могат да бъдат игнорирани.

II. Схема за охлаждане на горивни клетки

Основните пътища за разсейване на топлината за горивните клетки са тройни: Водно изпаряване от вътрешността на клетката, радиационно охлаждане на стека и отстраняване на топлина чрез циркулация на охлаждаща среда. Последният е основният метод за разсейване на топлина за горивни клетки. За PEMFCs методите за охлаждане могат да бъдат широко категоризирани в два вида: еднофазно охлаждане и охлаждане на фазата.

1. Еднофазно охлаждане

Методът на еднофазно охлаждане е да се използва разумната топлина на охлаждащата среда, за да отнеме топлината, генерирана в работен процес на горивната клетка. Има два вида: охлаждане на въздуха и течно охлаждане, които са най -широко използваната технология за охлаждане в момента.

(1) въздушно охлаждане

Въздушното охлаждане е най -простият метод за охлаждане, при който въздухът преминава през охлаждащи плочи или катоди, за да отнесете отпадъчна топлина, генерирана от горивни клетки. Структурата на охлаждащата система също е сравнително проста. Този тип разсейване на топлина обикновено се използва в системи с ниска мощност (≤5kW), които имат по-малко компоненти, по-ниски разходи и по-висока ефективност на системата, като например в захранващите системи за дронове и преносими източници на енергия.

Система за горивни клетки с въздушно охлаждане

(2) Течно охлаждане

Течното охлаждане е проектирано да разделя пътя на потока на охлаждащата течност между катодните и анодните плочи на горивната клетка и разчита на принудителен пренос на топлогенерация на охлаждащата течност, за да се отстрани топлината, генерирана по време на работата на горивната клетка.

Охлаждащата течност може да бъде дейонизирана вода или смес от вода и етилен гликол. Специфичният топлинен капацитет на течностите е по -голям от този на въздуха, което прави течното охлаждане по -ефективно по отношение на топлопредаването и по -ниските дебити в сравнение с охлаждането на въздуха. Използвайки течно охлаждане, разпределението на температурата в горивните клетки става по -равномерно; Въпреки това, тя включва много компоненти и сложни структури, със значителна консумация на енергия за аксесоари, използвани при разсейване на топлина, обикновено около 10% от ефективната изходна мощност. За горивни клетки с висока мощност (над 5 kW), като тези, използвани в превозните средства, течното охлаждане е най-често използваният метод.

Вземете за пример горивната клетка на автомобила, неговата система за термично управление включва главно помпа за охлаждаща течност, топлообменник, резервоар за вода, вентилатор, сензор за налягане и други компоненти.

Iii. Промяна на фазата охлаждане

Охлаждането на фазовата промяна е да се охлади източника на топлина, като се използва характеристиката за абсорбиране на голямо количество топлина, когато обектът променя фазата. Често използваните методи за охлаждане на фазата в горивните клетки са охлаждането на изпаряването и разсейването на топлинната топлинна тръба.

(1) Изпарително охлаждане

Изпарителното охлаждане на горивните клетки включва охлаждащата течност и въздуха, влизащ в системата от катодната страна заедно. Използваната охлаждаща течност е дейонизирана вода. Охлаждащата течност може да овлажнява въздуха, увеличавайки съдържанието на влага в мембраната на Proton Exchange, като по този начин повишава работата на горивната клетка. В същото време по -голямата част от охлаждащата течност се пренася в основната област на реакционния източник на топлина от въздуха и се изпарява, като се пренася топлината, генерирана по време на реакцията. Евапоративната система за охлаждащи горивни клетки не изисква овлажнител, тъй като топлинният обмен на изпаряване и кондензация са по-ефективни от топлообменния с еднофазен конвекция, като значително намаляват натоварването на охлаждащата помпа и радиатора.

(2) Разсейване на топлинната тръба на топлината

Охлаждането на топлинната тръба включва вграждане на топлинната тръба в биполярна плоча. При липса на външна мощност топлинната тръба прехвърля голямо количество топлина на дълги разстояния през своята площ на напречното сечение за охлаждане. Материалът на топлинната тръба обикновено е меден или алуминиев сплав, като гарантира, че температурата при източника на топлина остава добре разпределена. Изследването на прилагането на технологията за охлаждане на топлинните тръби в приложенията на горивните клетки все още е в ранните му етапи и изисква по -нататъшно развитие.

Термичното управление е от решаващо значение за работата на горивните клетки, което влияе върху тяхната ефективност, продължителност на живота и безопасността. Понастоящем най-използваната технология в полето за горивни клетки е еднофазно охлаждане. Технологията за охлаждане на фазовата промяна, със своята еднаквост и висока ефективност, е изключително обещаваща изследователска посока. В същото време ефективните стратегии за контрол на термичното управление са от ключово значение за осигуряването на правилната работа на горивните клетки. Например, когато температурата на горивната клетка се повиши и системата за управление на топлинното управление не може да осигури достатъчно разсейване на топлината, стратегиите за контрол на платформата на електроенергийната система трябва да разгледат мерки като ограничаване на изходната мощност на горивната клетка, за да подобрят живота му, безопасността и издръжливост. За да се подобри способността за разсейване на топлината на системата за управление на топлинното управление на горивните клетки, трябва да се положат и усилия за повишаване на работната температура на горивната клетка и подобряване на температурните характеристики на материалите на горивните клетки. Например, ако работната температура на горивната клетка се увеличи до 95 ℃, капацитетът на разсейване на топлината на термичната система за управление може да бъде подобрен с повече от 50%.