مخطط التبريد للإدارة الحرارية لخلية وقود غشاء تبادل البروتونات (PEMFC)

خلايا وقود الغشاء البروتيني (PEMFC) تفاخر المزايا مثل الكفاءة العالية والنظافة والانبعاثات الصفر ، مما يجعلها واعدة للتطبيق على نطاق واسع. في التطبيقات العملية ، يتم تحويل 40 ٪ إلى 60 ٪ من الطاقة الكيميائية من الوقود إلى طاقة كهربائية ، بينما يتم تحويل الطاقة المتبقية إلى طاقة حرارية في الغالب. إذا كان لا يمكن تبديد الحرارة على الفور من الخلية ، فستستمر درجة حرارة النظام في الارتفاع ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة الموضعية للخلايا الفردية أو مناطق محددة داخل الخلية ، مما يؤثر بشدة على التشغيل الطبيعي لخلية الوقود.

1. أهمية الإدارة الحرارية

مصادر الحرارة الرئيسية في عملية تشغيل خلايا الوقود هي تسخين المقاومة الأومياء ، وتدفئة الانتروبيا ، وتفاعل الكهروكيميائي الذي لا رجعة فيه ، وإطلاق حرارة تكثيف بخار الماء ، وحرارة الهواء المضغوطة والحرارة الإشعاعية البيئية ، يمكن تجاهل الاثنين الأخير.

الثاني. مخطط التبريد لخلايا الوقود

مسارات تبديد الحرارة الرئيسية لخلايا الوقود هي ثلاثة أضعاف: تبخير الماء من داخل الخلية ، والتبريد الإشعاعي للمكدس ، وإزالة الحرارة عن طريق تداول وسائط التبريد. هذا الأخير هو الطريقة الأساسية لتبديد الحرارة لخلايا الوقود. بالنسبة إلى PEMFCs ، يمكن تصنيف طرق التبريد على نطاق واسع إلى نوعين: التبريد أحادي الطور وتبريد تغيير الطور.

1. تبريد مرحلة واحدة

تتمثل طريقة تبريد المرحلة الواحدة في استخدام الحرارة المعقولة لوسط التبريد لسحب الحرارة الناتجة في عملية عمل خلية الوقود. هناك نوعان: تبريد الهواء والتبريد السائل ، والتي هي أكثر تقنيات التبريد استخدامًا على نطاق واسع في الوقت الحالي.

(1) تبريد الهواء

يعد تبريد الهواء هو أبسط طريقة للتبريد ، حيث يمر الهواء عبر ألواح التبريد أو الكاثودات لتحمل الحرارة التي تولدها خلايا الوقود. هيكل نظام التبريد بسيط نسبيا. يستخدم هذا النوع من تبديد الحرارة بشكل شائع في أنظمة PEMFC منخفضة الطاقة (≤5KW) التي لها مكونات أقل ، وتكاليف أقل ، وكفاءة النظام الأعلى ، كما هو الحال في أنظمة الطاقة الطائرات بدون طيار ومصادر الطاقة المحمولة.

نظام خلايا الوقود مع تبريد الهواء

(2) التبريد السائل

تم تصميم التبريد السائل لفصل مسار تدفق سائل التبريد بين الكاثود وألواح الأنود في خلية الوقود ، ويعتمد على نقل حرارة الحمل القسري للمبرد لإزالة الحرارة المتولدة أثناء تشغيل خلية الوقود.

يمكن أن يكون المبرد ماءًا منزوعًا أو مزيجًا من الماء والجليكول الإيثيلين. تكون السعة الحرارية المحددة للسوائل أكبر من سعة الهواء ، مما يجعل التبريد السائل أكثر كفاءة من حيث نقل الحرارة وانخفاض معدلات التدفق مقارنة بتبريد الهواء. باستخدام التبريد السائل ، يصبح توزيع درجة الحرارة في خلايا الوقود أكثر اتساقًا ؛ ومع ذلك ، فإنه يتضمن العديد من المكونات والهياكل المعقدة ، مع استهلاك كبير للطاقة للإكسسوارات المستخدمة في تبديد الحرارة ، وعادة ما يكون حوالي 10 ٪ من طاقة الناتج الفعالة. بالنسبة لخلايا الوقود عالية الطاقة (أكثر من 5 كيلوواط) ، مثل تلك المستخدمة في المركبات ، فإن التبريد السائل هو الطريقة الأكثر شيوعًا.

خذ خلية وقود السيارة على سبيل المثال ، ويشمل نظام الإدارة الحرارية الخاصة بها بشكل أساسي مضخة سائل التبريد ، والمبادل الحراري ، وخزان المياه ، والمراوح ، ومستشعر الضغط وغيرها من المكونات.

ثالثا. تبريد تغيير المرحلة

يهدف تبريد تغيير الطور إلى تبريد مصدر الحرارة باستخدام خاصية امتصاص كمية كبيرة من الحرارة عندما يتغير الكائن. طرق تبريد الطور شائعة الاستخدام في خلايا الوقود هي تبخير تبريد وتبديد حرارة أنابيب الحرارة.

(1) التبريد التبخير

يتضمن التبريد التبخيري لخلايا الوقود المبرد والهواء الذي يدخل النظام من جانب الكاثود معًا. المبرد المستخدم عادة هو الماء منزوع الأيونات. يمكن للمبرد أن يرطب الهواء ، مما يزيد من محتوى الرطوبة في غشاء البورصة ، وبالتالي تعزيز أداء خلية الوقود. في الوقت نفسه ، يتم نقل معظم المبرد في المنطقة الأساسية لمصدر حرارة التفاعل بواسطة الهواء ويتبخر ، ويحمل الحرارة المتولدة أثناء التفاعل. لا يتطلب نظام خلايا الوقود التبريد التبخير مرطبًا ، حيث أن التبخر والتكثيف الحراري أكثر كفاءة من تبادل حرارة الحمل الحراري أحادي الطور ، مما يقلل بشكل كبير من الحمل على مضخة مياه التبريد والمبرد.

(2) تبديد حرارة أنابيب الحرارة

ينطوي تبريد أنابيب الحرارة على تضمين أنبوب الحرارة في طبق ثنائي القطب. في حالة عدم وجود قوة خارجية ، ينقل أنابيب الحرارة كمية كبيرة من الحرارة على مسافات طويلة من خلال مساحة المقطع العرضي للتبريد. عادةً ما تكون مادة أنبوب الحرارة من النحاس أو سبيكة الألومنيوم ، مما يضمن أن تظل درجة الحرارة في مصدر الحرارة موزعة جيدًا. لا تزال الأبحاث حول تطبيق تقنية تبريد أنابيب الحرارة في تطبيقات خلايا الوقود في مراحلها المبكرة وتتطلب المزيد من التطوير.

تعد الإدارة الحرارية أمرًا بالغ الأهمية لأداء خلايا الوقود ، مما يؤثر على كفاءتها وعمرها وسلامتها. حاليًا ، فإن التكنولوجيا الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في حقل خلايا الوقود هي تبريد المرحلة الواحدة. تعتبر تقنية التبريد تغيير الطور ، بتوحيدها وكفاءتها العالية ، اتجاهًا بحثًا واعدًا للغاية. في الوقت نفسه ، تعتبر استراتيجيات التحكم الفعالة في الإدارة الحرارية مفتاحًا لضمان التشغيل السليم لخلايا الوقود. على سبيل المثال ، عندما ترتفع درجة حرارة خلية الوقود ولا يمكن لنظام الإدارة الحرارية أن يوفر تبديدًا كافيًا للحرارة ، يجب أن تنظر استراتيجيات التحكم في نظام الطاقة في مقاييس مثل الحد من طاقة الخرج لخلية الوقود لتعزيز عمرها وسلامتها وسلامتها ، متانة. لتحسين قدرة تبديد الحرارة لنظام الإدارة الحرارية لخلايا الوقود ، يجب أيضًا بذل الجهود لزيادة درجة حرارة تشغيل خلية الوقود وتحسين خصائص درجة حرارة مواد خلايا الوقود. على سبيل المثال ، إذا تم زيادة درجة حرارة تشغيل خلية الوقود إلى 95 ℃ ، يمكن تحسين سعة تبديد الحرارة لنظام الإدارة الحرارية بأكثر من 50 ٪.