Защо горивните клетки с въздушно охлаждане имат по-кратък живот от тези с водно охлаждане?

В технологията на горивните клетки, изборът на охладителна система не само влияе върху ефективността на разсейване на топлината, но и директно определя живота на ядрото на горивния стек. Зад двата основни подхода за охлаждане – въздушно охлаждане и течно охлаждане – се крият различия на „генетично ниво“, които влияят върху издръжливостта на стека.

По отношение на охлаждащите среди, какви са разликите между... горивни клетки с въздушно и водно охлаждане ?

Системите с въздушно охлаждане разчитат на въздуха като охлаждаща среда. Въздухът има нисък специфичен топлинен капацитет, което означава, че има ограничена способност да пренася топлина. В реална работа, локализирани горещи точки могат лесно да се образуват в горивните клетки. Това неравномерно разпределение на температурата не само компрометира производителността, но и ускорява разграждането на материалите - скоростта на химическо разграждане на протоннообменната мембрана и каталитичните слоеве се увеличава експоненциално при високи температури. Системите с течно охлаждане използват охлаждащи течности с по-висок специфичен топлинен капацитет (обикновено смес от дейонизирана вода и етиленгликол). Това е като изграждането на високоефективна „топлинна магистрала“ за... горивни клетки, което може равномерно и бързо да отвежда топлината от реакцията, поддържайки горивните клетки да работят в оптималния и най-равномерен температурен прозорец, като по този начин фундаментално забавя процеса на стареене на материалите.

По отношение на логиката на управление, какви са разликите между горивните клетки с въздушно охлаждане и тези с течно охлаждане?

Системите с въздушно охлаждане са изправени пред фундаментален компромис: един и същ въздушен поток служи както за подаване на газ (кислород за химични реакции), така и за охлаждане. За да се разсее топлината, може да се наложи да се увеличи въздушният поток, но това ще отведе влагата, необходима за мембранния електрод, което ще доведе до изсъхване на мембраната; за да се задържи вода, разсейването на топлината може да бъде пожертвано, което води до прегряване. Тази крехкост на хидротермалния баланс държи горивния елемент в състояние на „стрес“ за дълго време. Но системата за течно охлаждане постига перфектно функционално разделяне: пътят на въздушния поток е предназначен за подаване на въздух, а пътят на охлаждащата течност е предназначен за контрол на температурата. И двете са независимо оптимизирани чрез системата за управление, което гарантира, че горивният елемент винаги работи при оптималната си температура и влажност (т.нар. „сладка точка“). Тази стабилна и контролируема вътрешна среда е основата за дългия му живот.

По отношение на реакцията при работни условия, какви са разликите между горивните клетки с въздушно охлаждане и горивните клетки с течно охлаждане?

Въздушно охлажданите стекове често проявяват характеристики на „самоефективна“ изходна мощност: повишено натоварване → повишено генериране на топлина → по-голям въздушен поток, необходим за охлаждане → изсушаване на мембранния електроден възел → повишено вътрешно съпротивление → повече отпадна топлина. Това създава нестабилна положителна обратна връзка. По-важното е, че получените чести, екстремни цикли на мокро-сухо охлаждане подлагат катализаторния слой, газодифузионния слой и мембраната на огромно механично напрежение, което води до физически повреди като разслояване и напукване. Системите за течно охлаждане постигат активно, плавно регулиране на мощността чрез външни помпи и управление със затворен контур. Потокът и температурата на охлаждащата течност реагират прецизно и бързо на промените в натоварването, минимизирайки колебанията във вътрешното състояние на стека. Намаленото термично разширение/свиване и циклите на мокро-сухо охлаждане естествено повишават издръжливостта на материалните структури.

По отношение на жизнената среда, какви са разликите между горивните клетки с въздушно охлаждане и горивните клетки с течно охлаждане?

Въздушното охлаждане означава, че катодът (въздушният електрод) на горивните клетки е директно изложен на околната среда. Замърсители във въздуха, като прах, сол и сулфиди, могат лесно да проникнат и директно да се прилепят към скъпия платинен катализатор, като го отровят, запушвайки порите на газодифузионния слой. Това замърсяване на катализаторния слой е една от основните причини за необратимо влошаване на производителността. Системите за течно охлаждане, от друга страна, обикновено имат строго филтриран катоден всмукателен въздух, а целият горивен клетъчни пакет е поместен в относително затворен корпус, осигурявайки защита на катализаторния слой на ниво „чиста стая“ и значително забавяйки влошаването на производителността, причинено от замърсяване.

Накратко, горивни клетки с въздушно охлаждане приличат на надарени „спринтьори“, изискващи сурови условия: опростени по структура, бързи за стартиране и ниски разходи. Те са подходящи за леки, периодични приложения с относително ниски изисквания за живот, като дронове и превозни средства с ниска скорост. Горивните клетки с течно охлаждане обаче са „шампионите по издръжливост“, създадени за маратони. Чрез по-сложни и усъвършенствани системи, те дават приоритет на дългосрочната стабилност. Фокусът им е върху издръжливостта, което ги прави ключов избор за масови приложения като пътнически превозни средства, търговски камиони и стационарно производство на енергия.