Kühlschema für die thermische Behandlung von Protonenaustauschmembranbrennstoffzellen (PEMFC)

Protonenaustauschmembranbrennstoffzellen (PEMFC) Sie bieten Vorteile wie hohe Effizienz, Sauberkeit und Nullemissionen, was sie für eine weit verbreitete Anwendung verspricht. In praktischen Anwendungen werden 40% bis 60% der chemischen Energie aus dem Brennstoff in elektrische Energie umgewandelt, während die verbleibende Energie hauptsächlich in thermische Energie umgewandelt wird. Wenn Wärme nicht sofort aus der Zelle abgelöst werden kann, steigt die Systemtemperatur weiter, was zu einer lokalisierten Überhitzung einzelner Zellen oder spezifischer Bereiche innerhalb der Zelle führt, was den normalen Betrieb der Brennstoffzelle stark beeinflusst.

I. Bedeutung des thermischen Managements

Die wichtigsten Wärmequellen im Prozess des Brennstoffzellenbetriebs sind Ohmic Resistenzerwärmung, Reaktions -Entropie -Wärme, irreversible elektrochemische Reaktionswärme, Wasserdampfkondensationswärmeabgabe, Druckluftwärme und Umweltstrahlungswärme, die beiden letzteren können ignoriert werden.

Ii. Kühlschema für Brennstoffzellen

Die wichtigsten Wärmeableitungswege für Brennstoffzellen sind dreifach: Wasserdampfung aus der Zelle, Strahlungskühlung des Stapels und Wärmeentfernung durch zirkulierende Kühlmedien. Letzteres ist die primäre Methode zur Wärmeableitung für Brennstoffzellen. Bei PEMFCs können Kühlmethoden in zwei Arten breit zu kategorisiert werden: einphasige Kühl- und Phasenänderungskühlung.

1. Einphasenkühlung

Eine einphasige Kühlmethode besteht darin, die sensible Wärme des Kühlmediums zu verwenden, um die im Arbeitsprozess von Brennstoffzellen erzeugte Wärme wegzunehmen. Es gibt zwei Arten: Luftkühlung und Flüssigkühlung, die derzeit die am weitesten verbreitete Kühltechnologie sind.

(1) Luftkühlung

Die Luftkühlung ist die einfachste Kühlmethode, bei der die Luft durch Kühlplatten oder Kathoden durchläuft, um die durch Brennstoffzellen erzeugte Abwärme abzurichten. Die Struktur des Kühlsystems ist ebenfalls relativ einfach. Diese Art der Wärmeableitung wird üblicherweise in PEMFC-Systemen mit geringer Leistung (≤ 5 kW) verwendet, die weniger Komponenten, niedrigere Kosten und höhere Systemeffizienz aufweisen, z. B. in Drohnenstromsystemen und tragbaren Stromquellen.

Kraftstoffzellensystem mit Luftkühlung

(2) Flüssigkühlung

Die Flüssigkühlung ist ausgelegt, um den Kühlmittelflussweg zwischen der Kathoden- und Anodenplatten der Brennstoffzelle zu trennen, und basiert auf erzwungener Konvektionswärmeübertragung des Kühlmittels, um den während des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugten Wärme zu entfernen.

Das Kühlmittel kann entionisiertes Wasser oder eine Mischung aus Wasser und Ethylenglykol sein. Die spezifische Wärmekapazität von Flüssigkeiten ist größer als die von Luft, wodurch die Flüssigkeitskühlung in Bezug auf die Wärmeübertragung und niedrigere Durchflussraten im Vergleich zur Luftkühlung effizienter wird. Unter Verwendung der Flüssigkühlung wird die Temperaturverteilung in Brennstoffzellen gleichmäßiger. Es umfasst jedoch viele Komponenten und komplexe Strukturen mit einem signifikanten Stromverbrauch für Zubehör, die bei der Wärmeableitung verwendet werden, typischerweise etwa 10% der effektiven Ausgangsleistung. Für Hochleistungs-Brennstoffzellen (über 5 kW) wie die in Fahrzeugen verwendeten Flüssigkühlung ist die am häufigsten verwendete Methode.

Nehmen Sie die Fahrzeugbrennstoffzelle als Beispiel. Das thermische Managementsystem umfasst hauptsächlich Kühlmittelpumpe, Wärmetauscher, Wassertank, Lüfter, Drucksensor und andere Komponenten.

III. Kühlung der Phasenänderung

Die Kühlung des Phasenwechsels besteht darin, die Wärmequelle zu kühlen, indem das Merkmal verwendet wird, um eine große Menge Wärme zu absorbieren, wenn das Objekt die Phase ändert. Die häufig verwendeten Phasenänderungskühlmethoden in Brennstoffzellen sind Verdunstungskühl- und Wärmewärmeableitungen.

(1) Verdunstungskühlung

Die Verdunstungskühlung von Brennstoffzellen beinhaltet das Kühlmittel und die Luft, die zusammen das System von der Kathodenseite eintreffen. Das typische Kühlmittel ist entionisiertes Wasser. Das Kühlmittel kann die Luft feuchifizieren und den Feuchtigkeitsgehalt in der Protonenaustauschmembran erhöhen und so die Leistung der Brennstoffzelle verbessern. Gleichzeitig wird der größte Teil des Kühlmittels in den Kernbereich der Reaktionswärmequelle durch die Luft getragen und verdampft und trägt die während der Reaktion erzeugte Wärme weg. Ein verdunstendes Kühlbrennstoffzellensystem erfordert keinen Luftbefeuchter, da der Austausch von Verdampfungen und Kondensationswärme effizienter ist als ein Phasen-Konvektionswärmeaustausch, wodurch die Last an der Kühlwasserpumpe und des Kühlers erheblich verringert wird.

(2) Wärmewärmeissipation

Bei der Kühlung des Wärmerohrs werden das Wärmerohr in eine bipolare Platte eingebettet. In Abwesenheit von externer Leistung überträgt das Wärmerohr eine große Menge Wärme über große Strecken durch ihre Querschnittsfläche zum Abkühlen. Das Material des Wärmerohrs ist typischerweise eine Kupfer- oder Aluminiumlegierung, um sicherzustellen, dass die Temperatur an der Wärmequelle gut verteilt bleibt. Die Erforschung der Anwendung der Wärmerohrkühlungstechnologie in Brennstoffzellenanwendungen steht noch in den frühen Stadien und erfordert eine weitere Entwicklung.

Das thermische Management ist für die Leistung von Brennstoffzellen von entscheidender Bedeutung und beeinflusst ihre Effizienz, ihre Lebensdauer und ihre Sicherheit. Derzeit ist die am häufigsten verwendete Technologie im Brennstoffzellenfeld einphasige Kühlung. Die Kühlungstechnologie mit der Phasenveränderung mit ihrer Gleichmäßigkeit und hohen Effizienz ist eine vielversprechende Forschungsrichtung. Gleichzeitig sind effektive Strategien zur Steuerung des thermischen Managements von entscheidender Bedeutung, um den ordnungsgemäßen Betrieb von Brennstoffzellen zu gewährleisten. Wenn beispielsweise die Temperatur der Brennstoffzelle steigt und das thermische Managementsystem keine ausreichende Wärmeableitungen liefern, sollten Kontrollstrategien auf der Stromversorgungssystem Maßnahmen wie die Begrenzung der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle berücksichtigen, um ihre Lebensdauer, Sicherheit und ihre Lebensdauer zu verbessern und zu verbessern Haltbarkeit. Um die Wärmeableitungsfähigkeit des thermischen Managementsystems für Brennstoffzellen zu verbessern, müssen auch Anstrengungen unternommen werden, um die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle zu erhöhen und die Temperaturmerkmale der Kraftstoffzellenmaterialien zu verbessern. Wenn beispielsweise die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle auf 95 ° C erhöht wird, kann die Wärmeableitungskapazität des thermischen Managementsystems um mehr als 50%verbessert werden.