Ролята на водоотделителя в системи с горивни клетки с водно охлаждане

В рамките на сложната архитектура на система с водно охлаждане система с водородни горивни клеткиЦикълът за циркулация на водород е критична подсистема за осигуряване на ефективна и безопасна работа. Жизненоважен компонент в този цикъл е водоотделителят, известен още като кондензатен сепаратор или изключващ съд. Неговото присъствие може първоначално да изглежда парадоксално: защо система, която има за цел стриктно да управлява течната вода, изисква специално устройство за обработка на влагата в газовия поток? За да разберем това, трябва да се задълбочим в източниците на вода от водородната страна, потенциалните опасности и механизмите за динамично балансиране, присъщи на работата на системата. Основната реакция на горивната клетка включва комбинирането на водород и кислород, за да се произведе вода, електричество и топлина. Тази вода се генерира предимно на катода или от въздушната страна.

Водните молекули обаче не остават единствено в мястото си на произход. Протоннообменната мембрана (PEM), „сърцето“ на клетката, трябва да бъде адекватно хидратирана, за да провежда ефективно протоните. Тази характеристика е нож с две остриета. Докато достатъчна хидратация на мембраната е необходима за добра протонна проводимост, разликата в концентрацията на вода (или активността на водата) през мембраната създава силна движеща сила. Това кара водните молекули да дифундират от катода, обратно през мембраната, към анода (от страната на водорода) в феномен, известен като „обратна дифузия на водата“. Това обратно проникване е особено важно, когато катодната реакция е интензивна, произвеждайки големи количества вода, докато анодният водороден поток става относително сух поради рециркулация. По този начин се появява непланирана влага в това, което би трябвало да бъде „сух“ водороден цикъл.

Освен това, за да се поддържа оптималното ниво на хидратация на PEM, водородът, постъпващ в стека, често изисква подходящо овлажняване. Особено по време на стартиране на системата, външното овлажняване е често срещан метод за предотвратяване на дехидратацията на мембраната от сух водород. Водната пара, въведена чрез този процес на овлажняване, също може да кондензира в течна вода, ако водородният поток претърпи температурни промени по време на протичането си. Следователно, влагата от страната на водорода произхожда предимно от два източника: вода, дифундирана обратно от катода, и водна пара, въведена чрез овлажняване на входящия газ. Когато топлият, влажен рециркулиран водород преминава през по-хладни секции на тръбопроводите, клапаните и рециркулационната помпа, водната пара може да кондензира във фини капчици, образувайки това, което е известно като „увлечена вода“. Позволяването на тази течна вода да се натрупа във водородния контур може да доведе до редица сериозни проблеми. Най-непосредственият риск е „наводняване“. Каналите за поток на водород са много тесни; течната вода може да блокира полетата на потока на отделни или множество клетки, възпрепятствайки ефективната дифузия на водорода към катализаторните слоеве за реакция. Локалното водородно гладуване причинява рязък спад на напрежението в тази област и дори може да доведе до обръщане на клетката (обратна поляризация).

Това не само води до нестабилна мощност, но и причинява необратими корозионни повреди на катализатора и въглеродния носител, което значително скъсява живота на комина. Второ, тези водни капчици могат да ускорят корозията на металните компоненти в тръбите и клапаните. За помпата за рециркулация на водород, която разчита на работа с висока скорост, ударът на капчиците може да предизвика ефект на „воден удар“, потенциално сериозно повреждайки работното колело и причинявайки блокиране или повреда на помпата, представлявайки значителна заплаха за цялостната надеждност на системата. Водоотделителят играе ключова роля на „уловител“ в този контекст.

Обикновено е стратегически разположен в рамките на циркулационния контур на водорода, често в критична точка между изхода на комина и входа на рециркулационната помпа. Работата му обикновено се основава на принципите на центробежно или инерционно разделяне. Когато влажен водороден газ, натоварен с водни капчици, навлезе тангенциално в камерата на сепаратора с определена скорост, той създава вихров поток. По-тежките водни капчици се изхвърлят навън от центробежна сила към стената, където се сливат, губят кинетична енергия и образуват по-големи капчици, които в крайна сметка се оттичат по гравитационен път към дъното на сепаратора. „Изсушеният“ водороден газ след това излиза през централния изход и се рециркулира обратно към входа на комина от помпата. Натрупаната течна вода на дъното периодично се оттича от системата чрез автоматичен или периодично контролиран дренажен клапан. Следователно, водоотделителят не е излишен конструктивен елемент, а интелигентно и съществено решение за сложните предизвикателства, свързани с управлението на водите в горивната клетка.

Той отчита всепроникващия характер на водните молекули и проактивно управлява допълнителната влага, въведена чрез обратна дифузия и овлажняване, като гарантира, че циркулационният контур на водорода поддържа оптимално състояние „влажен, но не и наводнен“. Този компонент защитава рециркулационната помпа и спомага за осигуряване на равномерно разпределение на водорода в отделните клетки, като в крайна сметка формира критична основа за постигане на висока ефективност, надеждност и дългосрочна издръжливост в горивните клетки. Въпреки че е само един компонент сред многото, водоотделителят е ключов за поддържането на деликатния „воден баланс“ от страната на водорода.