Waarom hebben luchtgekoelde brandstofcellen een kortere levensduur dan watergekoelde brandstofcellen?

Bij brandstofceltechnologie heeft de keuze van het koelsysteem niet alleen invloed op de efficiëntie van de warmteafvoer, maar bepaalt het ook direct de levensduur van de brandstofcel. Achter de twee meest gangbare koelmethoden – luchtkoeling en vloeistofkoeling – schuilen fundamentele verschillen die de duurzaamheid van de brandstofcel beïnvloeden.

Wat zijn de verschillen tussen koelmedia en... luchtgekoelde en watergekoelde brandstofcellen ?

Luchtgekoelde systemen gebruiken lucht als koelmedium. Lucht heeft een lage soortelijke warmtecapaciteit, wat betekent dat het een beperkt vermogen heeft om warmte te transporteren. In de praktijk kunnen er gemakkelijk plaatselijke hotspots ontstaan ​​in de brandstofcel. Deze ongelijke temperatuurverdeling brengt niet alleen de prestaties in gevaar, maar versnelt ook de materiaalafbraak: de chemische afbraaksnelheid van het protonenuitwisselingsmembraan en de katalysatorlagen neemt exponentieel toe bij hoge temperaturen. Vloeistofgekoelde systemen gebruiken koelvloeistoffen met een hogere soortelijke warmtecapaciteit (meestal een mengsel van gedemineraliseerd water en ethyleenglycol). Het is alsof je een zeer efficiënte "warmtesnelweg" aanlegt voor de brandstofcel. brandstofcelstapelwaardoor de reactiewarmte gelijkmatig en snel kan worden afgevoerd, de brandstofcelstapel binnen het optimale en meest uniforme temperatuurbereik blijft werken en het verouderingsproces van de materialen fundamenteel wordt vertraagd.

Wat zijn qua besturingslogica de verschillen tussen luchtgekoelde en vloeistofgekoelde brandstofcellen?

Luchtgekoelde systemen staan ​​voor een fundamentele afweging: dezelfde luchtstroom dient zowel voor gasaanvoer (zuurstof voor chemische reacties) als voor koeling. Om warmte af te voeren, kan het nodig zijn de luchtstroom te verhogen, maar dit blaast het vocht weg dat nodig is voor de membraanelektrode, waardoor het membraan uitdroogt; om water vast te houden, kan warmteafvoer worden opgeofferd, wat leidt tot oververhitting. Deze kwetsbaarheid van het hydrothermische evenwicht houdt de brandstofcelstapel lange tijd in een staat van "stress". Het vloeistofkoelsysteem bereikt echter een perfecte functionele ontkoppeling: het luchtstroompad is bestemd voor luchttoevoer en het koelvloeistofpad voor temperatuurregeling. Beide worden onafhankelijk geoptimaliseerd door het besturingssysteem, waardoor de brandstofcelstapel altijd op zijn optimale temperatuur en vochtigheidsniveau werkt. Deze stabiele en beheersbare interne omgeving vormt de basis voor een lange levensduur.

Wat zijn de verschillen in reactie op bedrijfsomstandigheden tussen luchtgekoelde en vloeistofgekoelde brandstofcellen?

Luchtgekoelde stacks vertonen vaak een "zelfversnellend" vermogensafgiftepatroon: verhoogde belasting → verhoogde warmteontwikkeling → hogere luchtstroom nodig voor koeling → uitdroging van de membraanelektroden → verhoogde interne weerstand → meer restwarmte. Dit creëert een instabiele positieve feedbacklus. Nog belangrijker is dat de resulterende frequente, extreme nat-droogcycli de katalysatorlaag, de gasdiffusielaag en het membraan blootstellen aan enorme mechanische spanningen, wat leidt tot fysieke schade zoals delaminatie en scheuren. Vloeistofkoelsystemen bereiken een actieve, soepele vermogensregeling door middel van externe pompen en gesloten-lusregeling. De koelvloeistofstroom en -temperatuur reageren nauwkeurig en snel op veranderingen in de belasting, waardoor schommelingen in de interne toestand van de stack worden geminimaliseerd. Verminderde thermische uitzetting/krimp en nat-droogcycli verbeteren op natuurlijke wijze de duurzaamheid van de materiaalstructuren.

Wat zijn, qua leefomgeving, de verschillen tussen luchtgekoelde en vloeistofgekoelde brandstofcellen?

Luchtkoeling betekent dat de kathode (luchtelektrode) van de brandstofcelstapel direct aan de omgeving is blootgesteld. Verontreinigende stoffen in de lucht, zoals stof, zout en sulfiden, kunnen gemakkelijk doordringen en zich direct hechten aan de dure platina-katalysator, waardoor de poriën van de gasdiffusielaag verstopt raken. Deze verontreiniging van de katalysatorlaag is een van de belangrijkste oorzaken van onomkeerbare prestatievermindering. Vloeistofkoelsystemen daarentegen hebben doorgaans een streng gefilterde luchttoevoer naar de kathode en de gehele brandstofcelstapel is ondergebracht in een relatief gesloten behuizing. Dit biedt bescherming op "cleanroom"-niveau voor de katalysatorlaag en vertraagt ​​de prestatievermindering door verontreiniging aanzienlijk.

Kortom, luchtgekoelde brandstofcellen Ze lijken op begaafde "sprinters" die zware omstandigheden vereisen: eenvoudig van structuur, snel op te starten en goedkoop. Ze zijn geschikt voor lichte, intermitterende toepassingen met relatief lage eisen aan de levensduur, zoals drones en voertuigen met lage snelheid. Vloeistofgekoelde brandstofcellen daarentegen zijn de "duurkampioenen", gebouwd voor marathons. Door middel van complexere en geavanceerdere systemen geven ze prioriteit aan stabiliteit op de lange termijn. Hun focus ligt op duurzaamheid, waardoor ze een belangrijke keuze zijn voor gangbare toepassingen zoals personenauto's, vrachtwagens en stationaire energieopwekking.