Skim Penyejukan untuk Pengurusan Thermal Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)

Proton Exchange membran sel bahan bakar (PEMFC) Berbangga dengan kelebihan seperti kecekapan tinggi, kebersihan, dan pelepasan sifar, menjadikan mereka menjanjikan untuk aplikasi yang meluas. Dalam aplikasi praktikal, 40% hingga 60% daripada tenaga kimia dari bahan api ditukar menjadi tenaga elektrik, sementara tenaga yang tinggal kebanyakannya ditukar menjadi tenaga terma. Sekiranya haba tidak boleh segera hilang dari sel, suhu sistem akan terus meningkat, yang membawa kepada pemanasan melampaui sel -sel individu atau kawasan tertentu di dalam sel, memberi kesan yang teruk kepada operasi normal sel bahan bakar.

I. Kepentingan pengurusan terma

Sumber haba utama dalam proses operasi sel bahan api adalah pemanasan rintangan ohmik, haba entropi reaksi, haba tindak balas elektrokimia yang tidak dapat dipulihkan, pelepasan haba pemeluwapan wap air, haba udara termampat dan haba radiasi alam sekitar, yang kedua dapat diabaikan.

Ii. Skim penyejukan untuk sel bahan bakar

Jalur pelesapan haba utama untuk sel bahan bakar adalah tiga kali ganda: pengewapan air dari dalam sel, penyejukan radiasi timbunan, dan penyingkiran haba dengan media penyejukan yang beredar. Yang terakhir adalah kaedah utama pelesapan haba untuk sel bahan bakar. Untuk PEMFC, kaedah penyejukan boleh dikategorikan secara meluas kepada dua jenis: penyejukan fasa tunggal dan fasa perubahan fasa.

1. Penyejukan fasa tunggal

Kaedah penyejukan fasa tunggal adalah dengan menggunakan haba yang masuk akal medium penyejukan untuk menghilangkan haba yang dihasilkan dalam proses kerja sel bahan bakar. Terdapat dua jenis: penyejukan udara dan penyejukan cecair, yang merupakan teknologi penyejukan yang paling banyak digunakan pada masa ini.

(1) Penyejukan udara

Penyejukan udara adalah kaedah penyejukan yang paling mudah, di mana udara melalui plat penyejukan atau katod untuk membawa haba sisa yang dihasilkan oleh sel bahan bakar. Struktur sistem penyejukan juga agak mudah. Jenis pelesapan haba ini biasanya digunakan dalam sistem PEMFC kuasa rendah (≤5kW) yang mempunyai komponen yang lebih sedikit, kos yang lebih rendah, dan kecekapan sistem yang lebih tinggi, seperti dalam sistem kuasa drone dan sumber kuasa mudah alih.

Sistem sel bahan bakar dengan penyejukan udara

(2) penyejukan cecair

Penyejukan cecair direka untuk memisahkan laluan aliran penyejuk antara katod dan plat anod sel bahan bakar, dan bergantung kepada pemindahan haba perolakan paksa penyejuk untuk mengeluarkan haba yang dihasilkan semasa operasi sel bahan api.

Penyejuk boleh menjadi air deionisasi atau campuran air dan etilena glikol. Kapasiti haba spesifik cecair adalah lebih besar daripada udara, menjadikan penyejukan cecair lebih cekap dari segi pemindahan haba dan kadar aliran yang lebih rendah berbanding dengan penyejukan udara. Menggunakan penyejukan cecair, pengagihan suhu dalam sel bahan api menjadi lebih seragam; Walau bagaimanapun, ia melibatkan banyak komponen dan struktur kompleks, dengan penggunaan kuasa yang signifikan untuk aksesori yang digunakan dalam pelesapan haba, biasanya sekitar 10% daripada kuasa output yang berkesan. Untuk kuasa bahan api tinggi (lebih 5 kW), seperti yang digunakan dalam kenderaan, penyejukan cecair adalah kaedah yang paling biasa digunakan.

Ambil sel bahan bakar kenderaan sebagai contoh, sistem pengurusan terma terutamanya termasuk pam penyejuk, penukar haba, tangki air, kipas, sensor tekanan dan komponen lain.

Iii. Perubahan fasa penyejukan

Perubahan fasa penyejukan adalah untuk menyejukkan sumber haba dengan menggunakan ciri -ciri menyerap sejumlah besar haba apabila fasa perubahan objek. Kaedah penyejukan perubahan fasa yang biasa digunakan dalam sel bahan bakar adalah penyejukan penyejatan dan pelesapan haba panas.

(1) penyejukan penyejatan

Penyejukan penyejatan sel bahan bakar melibatkan penyejuk dan udara memasuki sistem dari sisi katod bersama -sama. Penyejuk yang biasanya digunakan adalah air deionized. Penyejuk dapat melembapkan udara, meningkatkan kandungan kelembapan dalam membran pertukaran proton, dengan itu meningkatkan prestasi sel bahan bakar. Pada masa yang sama, kebanyakan penyejuk dibawa ke kawasan teras sumber haba reaksi oleh udara dan menguap, membawa haba yang dihasilkan semasa reaksi. Sistem sel bahan api penyejatan penyejatan tidak memerlukan pelembap, kerana pertukaran haba penyejatan dan pemeluwapan lebih efisien daripada pertukaran haba konveksi fasa tunggal, dengan ketara mengurangkan beban pada pam air penyejuk dan radiator.

(2) Pelesapan haba paip haba

Penyejukan paip haba melibatkan membenamkan paip haba ke dalam plat bipolar. Dalam ketiadaan kuasa luaran, paip haba memindahkan sejumlah besar haba sepanjang jarak jauh melalui kawasan keratan rentasnya untuk penyejukan. Bahan paip haba biasanya aloi tembaga atau aluminium, memastikan suhu di sumber haba tetap diedarkan dengan baik. Penyelidikan mengenai penerapan teknologi penyejukan paip haba dalam aplikasi sel bahan bakar masih dalam peringkat awal dan memerlukan pembangunan selanjutnya.

Pengurusan terma adalah penting untuk prestasi sel bahan bakar, yang mempengaruhi kecekapan, jangka hayat, dan keselamatan mereka. Pada masa ini, teknologi yang paling banyak digunakan dalam bidang sel bahan bakar adalah penyejukan fasa tunggal. Teknologi penyejukan perubahan fasa, dengan keseragaman dan kecekapan yang tinggi, adalah arah penyelidikan yang sangat menjanjikan. Pada masa yang sama, strategi kawalan pengurusan terma yang berkesan adalah kunci untuk memastikan operasi sel bahan api yang betul. Sebagai contoh, apabila suhu sel bahan api meningkat dan sistem pengurusan terma tidak dapat memberikan pelesapan haba yang mencukupi, strategi kawalan pada platform sistem kuasa harus mempertimbangkan langkah -langkah seperti mengehadkan kuasa output sel bahan bakar untuk meningkatkan jangka hayat, keselamatan, dan ketahanan. Untuk meningkatkan keupayaan pelesapan haba sistem pengurusan haba sel bahan bakar, usaha juga mesti dibuat untuk meningkatkan suhu operasi sel bahan bakar dan meningkatkan ciri -ciri suhu bahan sel bahan bakar. Sebagai contoh, jika suhu operasi sel bahan api meningkat kepada 95 ℃, kapasiti pelesapan haba sistem pengurusan terma dapat ditingkatkan lebih dari 50%.