Koelschema voor thermisch beheer van protonuitwisselingsmembraanbrandstofcel (PEMFC)

Protonuitwisseling membraanbrandstofcellen (PEMFC) Bogen voordelen zoals hoog rendement, netheid en nulemissies, waardoor ze veelbelovend zijn voor wijdverbreide toepassing. In praktische toepassingen wordt 40% tot 60% van de chemische energie uit de brandstof omgezet in elektrische energie, terwijl de resterende energie meestal wordt omgezet in thermische energie. Als warmte niet snel uit de cel kan worden verdwenen, zal de systeemtemperatuur blijven stijgen, wat leidt tot gelokaliseerde oververhitting van individuele cellen of specifieke gebieden in de cel, waardoor de normale werking van de brandstofcel ernstig wordt beïnvloed.

I. Het belang van thermisch beheer

De belangrijkste warmtebronnen in het proces van de werking van de brandstofcel zijn ohmweerstand verwarming, reactie -entropiewarmte, onomkeerbare elektrochemische reactiewarmte, waterdampcondensatie warmtevrijheid, gecomprimeerde luchtwarmte en omgevingsstraling warmte, de laatste twee kunnen worden genegeerd.

II. Koelschema voor brandstofcellen

De belangrijkste warmtedissipatieroutes voor brandstofcellen zijn drievoudig: waterdamping vanuit de cel, stralingskoeling van de stapel en warmteverwijdering door circulerende koelmedia. Dit laatste is de primaire methode voor warmtedissipatie voor brandstofcellen. Voor PEMFC's kunnen koelmethoden in grote lijnen worden onderverdeeld in twee soorten: koeling van eenfase en faseverandering.

1. Koeling van eenfase

Eenfase koelmethode is om de verstandige warmte van koelmedium te gebruiken om de warmte weg te nemen die wordt gegenereerd in het werkproces van brandstofcel. Er zijn twee soorten: luchtkoeling en vloeistofkoeling, die momenteel de meest gebruikte koeltechnologie zijn.

(1) Luchtkoeling

Luchtkoeling is de eenvoudigste koelmethode, waarbij lucht door koelplaten of kathoden stroomt om afvalwarmte weg te dragen die door brandstofcellen wordt gegenereerd. De structuur van het koelsysteem is ook relatief eenvoudig. Dit type warmtedissipatie wordt vaak gebruikt in PEMFC-systemen met laag vermogen (≤5 kW) die minder componenten, lagere kosten en hogere systeemefficiëntie hebben, zoals in drone-stroomsystemen en draagbare stroombronnen.

Brandstofcelsysteem met luchtkoeling

(2) Vloeistofkoeling

Vloeistofkoeling is ontworpen om het koelvloeistofstroompad tussen de kathode en anodplaten van de brandstofcel te scheiden en vertrouwt op geforceerde convectiewarmteoverdracht van de koelvloeistof om de warmte te verwijderen die wordt gegenereerd tijdens de werking van de brandstofcel.

Het koelmiddel kan gedeïoniseerd water of een mengsel van water en ethyleenglycol worden. De specifieke warmtecapaciteit van vloeistoffen is groter dan die van lucht, waardoor vloeistofkoeling efficiënter is in termen van warmteoverdracht en lagere stroomsnelheden in vergelijking met luchtkoeling. Met behulp van vloeistofkoeling wordt de temperatuurverdeling in brandstofcellen uniformer; Het omvat echter veel componenten en complexe structuren, met een aanzienlijk stroomverbruik voor accessoires die worden gebruikt bij warmtedissipatie, meestal ongeveer 10% van het effectieve uitgangsvermogen. Voor brandstofcellen van krachtige (meer dan 5 kW), zoals die in voertuigen die in voertuigen worden gebruikt, is vloeibare koeling de meest gebruikte methode.

Neem de voertuigbrandstofcel als voorbeeld, het thermische beheersysteem omvat voornamelijk koelvloeistofpomp, warmtewisselaar, watertank, ventilator, druksensor en andere componenten.

Iii. Faseverandering koeling

Faseveranderingskoeling is om de warmtebron af te koelen door het kenmerk te gebruiken voor het absorberen van een grote hoeveelheid van warmte wanneer het object van fase verandert. De veelgebruikte faseveranderingskoelmethoden in brandstofcellen zijn verdampingskoeling en warmtepijpverwarmingsdissipatie.

(1) Verdampingskoeling

De verdampingskoeling van brandstofcellen betreft de koelvloeistof en de lucht die het systeem binnenkomen vanaf de kathodezijde samen. Het gebruikte koelmiddel is gedeïoniseerd water. De koelvloeistof kan de lucht bevochtigen, waardoor het vochtgehalte in het protonuitwisselingsmembraan wordt vergroot, waardoor de prestaties van de brandstofcel worden verbeterd. Tegelijkertijd wordt het grootste deel van het koelvloeistof door de lucht in het kerngebied van de reactieverwarmingsbron gedragen en verdampt, waardoor de warmte wordt gegenereerd tijdens de reactie. Een verdampingskoelingsbrandstofcelsysteem vereist geen luchtbevochtiger, omdat verdampings- en condensatieverwarmingsuitwisseling efficiënter zijn dan eenfase convectiewarmtewisseling, waardoor de belasting op de koelwaterpomp en radiator aanzienlijk wordt verminderd.

(2) Warmtepijpverwarming dissipatie

Warmtepijpkoeling omvat het inbedden van de warmtepijp in een bipolaire plaat. Bij afwezigheid van extern vermogen draagt de warmtepijp een grote hoeveelheid warmte over lange afstanden door zijn dwarsdoorsnede voor afkoelen. Het materiaal van de warmtepijp is typisch koper- of aluminiumlegering, zodat de temperatuur bij de warmtebron goed verdeeld blijft. Onderzoek naar de toepassing van koelingtechnologie van warmtepijpkoeling in brandstofceltoepassingen is nog in een vroeg stadium en vereist verdere ontwikkeling.

Thermisch beheer is cruciaal voor de prestaties van brandstofcellen, wat hun efficiëntie, levensduur en veiligheid beïnvloedt. Momenteel is de meest gebruikte technologie in het brandstofcelveld eenfase-koeling. Faseverandering koeltechnologie, met zijn uniformiteit en hoog rendement, is een veelbelovende onderzoeksrichting. Tegelijkertijd zijn effectieve strategieën voor thermische beheercontrole van cruciaal belang om de juiste werking van brandstofcellen te waarborgen. Wanneer bijvoorbeeld de temperatuur van de brandstofcel stijgt en het thermische beheersysteem niet voldoende warmteafvoer kan bieden, moeten de besturingsstrategieën op het Power System -platform rekening houden met maatregelen zoals het beperken van de uitgangskracht van de brandstofcel om de levensduur, veiligheid en duurzaamheid. Om het warmtedissipatievermogen van het thermische beheersysteem van de brandstofcel te verbeteren, moeten ook inspanningen worden geleverd om de bedrijfstemperatuur van de brandstofcel te verhogen en de temperatuurkarakteristieken van de brandstofcelmaterialen te verbeteren. Als de bedrijfstemperatuur van de brandstofcel bijvoorbeeld wordt verhoogd tot 95 ℃, kan de warmtedissipatiecapaciteit van het thermische beheersysteem met meer dan 50%worden verbeterd.