Схема охлаждения для теплового управления протонным обменным топливным элементом (PEMFC)

Топливные элементы протона обмена мембраны (PEMFC) Похвастаются такие преимущества, как высокая эффективность, чистота и нулевые выбросы, что делает их перспективными для широкого распространения. В практическом применении от 40% до 60% химической энергии от топлива превращается в электрическую энергию, в то время как оставшаяся энергия в основном превращается в тепловую энергию. Если тепло не может быть быстро рассеяно из ячейки, температура системы будет продолжать расти, что приводит к локализованному перегреву отдельных клеток или определенных областей в ячейке, что сильно влияет на нормальную работу топливного элемента.

I. Важность теплового управления

Основными источниками тепла в процессе работы топливных элементов являются нагрев устойчивости к амическому устойчивости, тепло энтропии реакции, необратимое электрохимическое тепло, нагреваемое, тепловое высвобождение водяного пара, тепло сжатого воздуха и тепло излучения окружающей среды, последние два могут быть проигнорированы.

II Схема охлаждения для топливных элементов

Основные пути рассеивания тепла для топливных элементов в три раза: водяная испарения из ячейки, радиационное охлаждение стека и удаление тепла путем циркулирующей охлаждающей среды. Последний является основным методом рассеяния тепла для топливных элементов. Для PEMFC методы охлаждения могут быть в целом классифицированы на два типа: однофазное охлаждение и охлаждение фазы.

1. Одиночное охлаждение

Метод однофазного охлаждения состоит в том, чтобы использовать разумное тепло охлаждающей среды, чтобы убрать тепло, генерируемое в рабочем процессе топливного элемента. Существует два типа: воздушное охлаждение и жидкое охлаждение, которые в настоящее время являются наиболее широко используемой технологией охлаждения.

(1) Воздушное охлаждение

Воздушное охлаждение является самым простым методом охлаждения, где воздух проходит через охлаждающие пластины или катоды, чтобы унести тепло отходов, генерируемые топливными элементами. Структура системы охлаждения также относительно проста. Этот тип рассеяния тепла обычно используется в системах PEMFC с низким энергопотреблением (≤5 кВт), которые имеют меньше компонентов, более низкие затраты и более высокую эффективность системы, например, в энергосистемах и портативных источниках питания.

Система топливных элементов с воздушным охлаждением

(2) Жидкое охлаждение

Жидкое охлаждение предназначено для разделения пути потока охлаждающей жидкости между катодными и анодными пластинами топливного элемента, и опирается на принудительное теплопередача охлаждающей жидкости для удаления тепла, генерируемого во время работы топливного элемента.

Охлаждающая жидкость может быть деионизированной водой или смесью воды и этиленгликоля. Конкретная теплоемкость жидкостей больше, чем у воздуха, что делает жидкое охлаждение более эффективным с точки зрения теплопередачи и более низких скоростей потока по сравнению с воздушным охлаждением. Используя жидкое охлаждение, распределение температуры в топливных элементах становится более равномерным; Тем не менее, он включает в себя множество компонентов и сложных структур, со значительным энергопотреблением для аксессуаров, используемых при рассеивании тепла, как правило, около 10% от эффективной выходной мощности. Для мощных (более 5 кВт) топливных элементов, таких как те, которые используются в транспортных средствах, жидкое охлаждение является наиболее часто используемым методом.

Возьмите топливный элемент транспортного средства, в качестве примера, его система теплового управления в основном включает в себя насос охлаждающей жидкости, теплообменник, резервуар для воды, вентилятор, датчик давления и другие компоненты.

Iii. Фазовое изменение охлаждения

Охлаждение изменения фазы - это охлаждение источника тепла, используя характеристику поглощения большого количества тепла, когда объект меняет фазу. Обычно используемые методы охлаждения фазы в топливных элементах - испарение охлаждения и рассеяние тепловой трубы.

(1) испарительное охлаждение

Испарительное охлаждение топливных элементов включает в себя охлаждающую жидкость и воздух, попадающие в систему с катодной стороны. Обычно используемая охлаждающая жидкость деионизированная вода. Охлаждающая жидкость может увлажнить воздух, увеличивая содержание влаги в мембране протонной обмена, тем самым повышая производительность топливного элемента. В то же время большая часть охлаждающей жидкости переносится в зону ядра реакционного источника тепла по воздуху и испаряется, унося тепло, генерируемое во время реакции. Система испарительного охлаждающего топливного элемента не требует увлажнителя, так как теплообмен испарения и конденсации более эффективен, чем однофазный конвекционный теплообмен, что значительно уменьшает нагрузку на насос охлаждающего водяного насоса и радиатора.

(2) Тепловая тепловая рассеяние

Охлаждение тепловой трубы включает в себя встраивание тепловой трубы в биполярную пластину. При отсутствии внешней мощности тепловая труба передает большое количество тепла на большие расстояния через площадь поперечного сечения для охлаждения. Материалом тепловой трубы, как правило, является медным или алюминиевым сплавом, гарантируя, что температура в источнике тепла остается хорошо распределенной. Исследования по применению технологии охлаждения тепловых труб в применении топливных элементов все еще находятся на ранних стадиях и требуют дальнейшего развития.

Тепловое управление имеет решающее значение для эффективности топливных элементов, влияющих на их эффективность, срок службы и безопасность. В настоящее время наиболее широко используемой технологией в поле топливных элементов является однофазное охлаждение. Технология охлаждения фазы, с его однородности и высокой эффективностью, является очень многообещающим направлением исследования. В то же время эффективные стратегии управления тепловым управлением являются ключом к обеспечению правильной работы топливных элементов. Например, когда температура топливного элемента повышается и система теплового управления не может обеспечить достаточное рассеяние тепла, стратегии управления на платформе энергосистемы должны рассматривать такие меры, как ограничение выходной мощности топливного элемента для повышения срока службы, безопасности и безопасности и долговечность. Чтобы улучшить способность рассеивания тепла в системе теплового управления топливными элементами, необходимо также приложить усилия для повышения рабочей температуры топливного элемента и улучшения температурных характеристик материалов топливных элементов. Например, если рабочая температура топливного элемента увеличивается до 95 ℃, способность рассеивания тепловой диссипации системы теплового управления может быть улучшена более чем на 50%.