Esquema de enfriamiento para la gestión térmica de la celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC)

Celulas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) Cuenta con ventajas como alta eficiencia, limpieza y cero emisiones, haciéndolas prometedoras para una aplicación generalizada. En aplicaciones prácticas, del 40% al 60% de la energía química del combustible se convierte en energía eléctrica, mientras que la energía restante se convierte principalmente en energía térmica. Si el calor no puede disiparse de inmediato de la célula, la temperatura del sistema continuará aumentando, lo que lleva a un sobrecalentamiento localizado de células individuales o áreas específicas dentro de la célula, lo que afectó severamente el funcionamiento normal de la celda de combustible.

I. Importancia de la gestión térmica

Las principales fuentes de calor en el proceso de funcionamiento de la celda de combustible son el calentamiento por resistencia a la óhmica, el calor de la entropía de reacción, el calor de reacción electroquímica irreversible, la liberación de calor de condensación de vapor de agua, calor de aire comprimido y calor de radiación ambiental, los dos últimos pueden ignorarse.

II. Esquema de enfriamiento para celdas de combustible

Las principales vías de disipación de calor para las celdas de combustible son triples: la vaporización de agua desde dentro de la celda, el enfriamiento radiativo de la pila y la eliminación de calor al circular medios de enfriamiento. Este último es el método principal de disipación de calor para las celdas de combustible. Para los PEMFC, los métodos de enfriamiento se pueden clasificar ampliamente en dos tipos: enfriamiento monofásico y enfriamiento de cambio de fase.

1. Enfriamiento de una fase monofásica

El método de enfriamiento de una sola fase es usar el calor sensible de medio de enfriamiento para quitar el calor generado en el proceso de trabajo de la celda de combustible. Hay dos tipos: enfriamiento de aire y enfriamiento líquido, que son la tecnología de enfriamiento más utilizada en la actualidad.

(1) enfriamiento de aire

El enfriamiento por aire es el método más simple de enfriamiento, donde el aire pasa a través de placas de enfriamiento o cátodos para transportar el calor de los desechos generado por las celdas de combustible. La estructura del sistema de enfriamiento también es relativamente simple. Este tipo de disipación de calor se usa comúnmente en sistemas PEMFC de baja potencia (≤5kW) que tienen menos componentes, menores costos y una mayor eficiencia del sistema, como en sistemas de energía de drones y fuentes de energía portátiles.

Sistema de celdas de combustible con enfriamiento de aire

(2) enfriamiento líquido

El enfriamiento líquido está diseñado para separar la ruta de flujo del refrigerante entre las placas del cátodo y el ánodo de la celda de combustible, y se basa en la transferencia de calor de convección forzada del refrigerante para eliminar el calor generado durante la operación de la celda de combustible.

El refrigerante se puede desionizar agua o una mezcla de agua y etilenglicol. La capacidad de calor específica de los líquidos es mayor que la del aire, lo que hace que el enfriamiento de líquidos sea más eficiente en términos de transferencia de calor y tasas de flujo más bajas en comparación con el enfriamiento del aire. Usando enfriamiento líquido, la distribución de temperatura en las celdas de combustible se vuelve más uniforme; Sin embargo, involucra muchos componentes y estructuras complejas, con un consumo de energía significativo para los accesorios utilizados en la disipación de calor, típicamente alrededor del 10% de la potencia de salida efectiva. Para las celdas de combustible de alta potencia (más de 5 kW), como las utilizadas en los vehículos, el enfriamiento líquido es el método más comúnmente empleado.

Tome la celda de combustible del vehículo como ejemplo, su sistema de gestión térmica incluye principalmente bomba de refrigerante, intercambiador de calor, tanque de agua, ventilador, sensor de presión y otros componentes.

Iii. Enfriamiento del cambio de fase

El enfriamiento del cambio de fase es enfriar la fuente de calor utilizando la característica de absorber una gran cantidad de calor cuando el objeto cambia la fase. Los métodos de enfriamiento de cambio de fase comúnmente utilizados en las celdas de combustible son el enfriamiento por evaporación y la disipación de calor de la tubería de calor.

(1) Enfriamiento evaporativo

El enfriamiento evaporativo de las celdas de combustible implica el refrigerante y el aire que ingresa al sistema desde el lado del cátodo juntos. El refrigerante que se usa típicamente es agua desionizada. El refrigerante puede humidificar el aire, aumentando el contenido de humedad en la membrana de intercambio de protones, mejorando así el rendimiento de la celda de combustible. Al mismo tiempo, la mayor parte del refrigerante se transporta al área central de la fuente de calor de reacción por el aire y se evapora, llevando el calor generado durante la reacción. Un sistema de celdas de combustible de enfriamiento de evaporación no requiere un humidificador, ya que la evaporación y el intercambio de calor de condensación son más eficientes que el intercambio de calor de convección monofásica, reduciendo significativamente la carga en la bomba de agua de enfriamiento y el radiador.

(2) Disipación de calor de la tubería de calor

El enfriamiento de la tubería de calor implica incrustar la tubería de calor en una placa bipolar. En ausencia de potencia externa, la tubería de calor transfiere una gran cantidad de calor a largas distancias a través de su área de sección transversal para enfriar. El material de la tubería de calor es típicamente aleación de cobre o aluminio, asegurando que la temperatura en la fuente de calor permanezca bien distribuida. La investigación sobre la aplicación de la tecnología de enfriamiento de tuberías de calor en aplicaciones de celdas de combustible todavía está en sus primeras etapas y requiere un mayor desarrollo.

El manejo térmico es crucial para el rendimiento de las celdas de combustible, lo que afecta su eficiencia, vida útil y seguridad. Actualmente, la tecnología más utilizada en el campo de la celda de combustible es el enfriamiento de una fase monofásica. La tecnología de enfriamiento del cambio de fase, con su uniformidad y alta eficiencia, es una dirección de investigación muy prometedora. Al mismo tiempo, las estrategias efectivas de control de gestión térmica son clave para garantizar el funcionamiento adecuado de las celdas de combustible. Por ejemplo, cuando la temperatura de la celda de combustible aumenta y el sistema de gestión térmica no puede proporcionar una disipación de calor suficiente, las estrategias de control en la plataforma del sistema de energía deberían considerar medidas como limitar la potencia de salida de la celda de combustible para mejorar su vida útil, seguridad y seguridad y seguridad y seguridad durabilidad. Para mejorar la capacidad de disipación de calor del sistema de manejo térmico de la celda de combustible, también se deben hacer esfuerzos para aumentar la temperatura de funcionamiento de la celda de combustible y mejorar las características de temperatura de los materiales de la celda de combustible. Por ejemplo, si la temperatura de funcionamiento de la celda de combustible se incrementa a 95 ℃, la capacidad de disipación de calor del sistema de gestión térmica puede mejorarse en más del 50%.