Почему топливные элементы с воздушным охлаждением имеют меньший срок службы, чем элементы с водяным охлаждением?

В технологии топливных элементов выбор системы охлаждения влияет не только на эффективность рассеивания тепла, но и напрямую определяет срок службы основного блока. За двумя основными подходами к охлаждению — воздушным и жидкостным — лежат «генетические» различия, влияющие на долговечность блока.

В чем заключаются различия между охлаждающими средами с точки зрения теплоносителей? топливные элементы с воздушным и водяным охлаждением ?

В системах с воздушным охлаждением в качестве охлаждающей среды используется воздух. Воздух обладает низкой удельной теплоемкостью, что означает его ограниченную способность отводить тепло. В реальных условиях эксплуатации внутри топливного элемента легко могут образовываться локальные горячие точки. Такое неравномерное распределение температуры не только снижает производительность, но и ускоряет деградацию материалов — скорость химической деградации протонно-обменной мембраны и каталитических слоев экспоненциально возрастает при высоких температурах. В системах с жидкостным охлаждением используются охлаждающие жидкости с более высокой удельной теплоемкостью (обычно смесь деионизированной воды и этиленгликоля). Это похоже на создание высокоэффективной «тепловой магистрали» для блок топливных элементовчто позволяет равномерно и быстро отводить теплоту реакции, поддерживая работу топливного элемента в оптимальном и наиболее равномерном температурном диапазоне, что принципиально замедляет процесс старения материалов.

В чем заключаются различия между топливными элементами с воздушным и жидкостным охлаждением с точки зрения логики управления?

В системах с воздушным охлаждением существует фундаментальный компромисс: один и тот же воздушный поток служит как для подачи газа (кислорода для химических реакций), так и для охлаждения. Для рассеивания тепла может потребоваться увеличение воздушного потока, но это приведет к удалению влаги, необходимой для мембранного электрода, и его высыханию; для удержания воды может потребоваться принесение в жертву теплоотвода, что приведет к перегреву. Эта хрупкость гидротермического баланса долгое время поддерживает топливный элемент в состоянии «напряжения». Однако система жидкостного охлаждения обеспечивает идеальное функциональное разделение: воздушный поток предназначен для подачи воздуха, а поток охлаждающей жидкости — для регулирования температуры. Оба потока независимо оптимизируются с помощью системы управления, обеспечивая постоянную работу топливного элемента в оптимальном диапазоне температур и влажности. Эта стабильная и контролируемая внутренняя среда является основой для его длительного срока службы.

В чем заключаются различия между топливными элементами с воздушным и жидкостным охлаждением с точки зрения реакции на условия эксплуатации?

Пакеты с воздушным охлаждением часто демонстрируют «самоускоряющиеся» характеристики выходной мощности: увеличение нагрузки → усиление тепловыделения → увеличение расхода воздуха для охлаждения → высыхание мембранно-электродного блока → увеличение внутреннего сопротивления → большее количество отработанного тепла. Это создает нестабильную положительную обратную связь. Что еще более важно, возникающие в результате частые, экстремальные циклы увлажнения-высыхания подвергают каталитический слой, газодиффузионный слой и мембрану огромному механическому напряжению, что приводит к физическим повреждениям, таким как расслоение и растрескивание. Системы жидкостного охлаждения обеспечивают активное и плавное регулирование мощности с помощью внешних насосов и замкнутого контура управления. Поток и температура охлаждающей жидкости точно и быстро реагируют на изменения нагрузки, минимизируя колебания внутреннего состояния пакета. Снижение теплового расширения/сжатия и циклы увлажнения-высыхания естественным образом повышают долговечность материальных конструкций.

В чем заключаются различия между топливными элементами с воздушным и жидкостным охлаждением с точки зрения условий эксплуатации?

Воздушное охлаждение означает, что катод (воздушный электрод) топливного элемента непосредственно контактирует с окружающей средой. Загрязняющие вещества из воздуха, такие как пыль, соль и сульфиды, могут легко проникать в дорогостоящий платиновый катализатор, прилипать к нему и отравлять его, закупоривая поры газодиффузионного слоя. Загрязнение каталитического слоя является одной из основных причин необратимого ухудшения характеристик. Системы жидкостного охлаждения, напротив, обычно имеют тщательно фильтрованный воздухозаборник катода, а весь топливный элемент размещен в относительно закрытом корпусе, обеспечивая защиту каталитического слоя на уровне «чистого помещения» и значительно замедляя ухудшение характеристик, вызванное загрязнением.

Суммируя, топливные элементы с воздушным охлаждением Они напоминают одаренных «спринтеров», работающих в суровых условиях: просты по конструкции, быстро запускаются и недороги. Они подходят для легких, нестабильных применений с относительно коротким сроком службы, таких как дроны и низкоскоростные транспортные средства. Однако топливные элементы с жидкостным охлаждением — это «чемпионы выносливости», созданные для марафонов. Благодаря более сложным и совершенным системам, они отдают приоритет долговременной стабильности. Их основное внимание сосредоточено на долговечности, что делает их ключевым выбором для массовых применений, таких как легковые автомобили, коммерческие грузовики и стационарные электростанции.