Esquema de resfriamento para gerenciamento térmico da célula de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC)

Células de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC) possui vantagens como alta eficiência, limpeza e zero emissões, tornando -as promissoras para aplicação generalizada. Em aplicações práticas, 40% a 60% da energia química do combustível é convertida em energia elétrica, enquanto a energia restante é principalmente convertida em energia térmica. Se o calor não puder ser imediatamente dissipado da célula, a temperatura do sistema continuará subindo, levando ao superaquecimento localizado de células individuais ou áreas específicas dentro da célula, impactando severamente a operação normal da célula de combustível.

I. Importância do gerenciamento térmico

As principais fontes de calor no processo de operação de células de combustível são aquecimento de resistência ôhmica, calor entropia de reação, calor irreversível de reação eletroquímica, liberação de calor de condensação de vapor de água, calor comprimido de ar e calor da radiação ambiental, os dois últimos podem ser ignorados.

Ii. Esquema de resfriamento para células de combustível

As principais vias de dissipação de calor para células de combustível são três vezes: vaporização de água dentro da célula, resfriamento radiativo da pilha e remoção de calor circulando o meio de resfriamento. Este último é o principal método de dissipação de calor para células de combustível. Para PEMFCs, os métodos de resfriamento podem ser amplamente categorizados em dois tipos: resfriamento monofásico e resfriamento de alteração de fase.

1. Resfriamento monofásico

O método de resfriamento monofásico é usar o calor sensato do meio de resfriamento para tirar o calor gerado no processo de trabalho da célula de combustível. Existem dois tipos: resfriamento de ar e resfriamento líquido, que são a tecnologia de resfriamento mais usada no momento.

(1) resfriamento de ar

O resfriamento do ar é o método mais simples de resfriamento, onde passa o ar através de placas de resfriamento ou catodos para levar o calor residual gerado pelas células de combustível. A estrutura do sistema de refrigeração também é relativamente simples. Esse tipo de dissipação de calor é comumente usado em sistemas PEMFC de baixa potência (≤5kW) que possuem menos componentes, custos mais baixos e maior eficiência do sistema, como em sistemas de energia do drone e fontes de energia portáteis.

Sistema de células de combustível com resfriamento de ar

(2) resfriamento líquido

O resfriamento líquido foi projetado para separar o caminho do fluxo do líquido de arrefecimento entre as placas do cátodo e do ânodo da célula de combustível e depende da transferência de calor forçada do líquido de arrefecimento para remover o calor gerado durante a operação da célula de combustível.

O líquido de arrefecimento pode ser água desionizada ou uma mistura de água e etileno glicol. A capacidade de calor específica dos líquidos é maior que a do ar, tornando o resfriamento líquido mais eficiente em termos de transferência de calor e taxas de fluxo mais baixas em comparação com o resfriamento do ar. Usando o resfriamento líquido, a distribuição de temperatura nas células de combustível se torna mais uniforme; No entanto, envolve muitos componentes e estruturas complexas, com consumo significativo de energia para acessórios usados na dissipação de calor, normalmente em torno de 10% da potência efetiva de saída. Para células de combustível de alta potência (mais de 5 kW), como as usadas em veículos, o resfriamento líquido é o método mais comumente empregado.

Pegue a célula de combustível do veículo como exemplo, seu sistema de gerenciamento térmico inclui principalmente a bomba de refrigerante, o trocador de calor, o tanque de água, o ventilador, o sensor de pressão e outros componentes.

Iii. Resfriamento de mudança de fase

O resfriamento da mudança de fase é resfriar a fonte de calor usando a característica de absorver uma grande quantidade de calor quando o objeto muda de fase. Os métodos de resfriamento de alteração de fase comumente usados nas células de combustível são o resfriamento da evaporação e a dissipação de calor do tubo de calor.

(1) Resfriamento evaporativo

O resfriamento evaporativo das células de combustível envolve o líquido de arrefecimento e o ar entrando no sistema do lado do cátodo juntos. O líquido de arrefecimento normalmente usado é água desionizada. O líquido de arrefecimento pode umidificar o ar, aumentando o teor de umidade na membrana de troca de prótons, aumentando assim o desempenho da célula de combustível. Ao mesmo tempo, a maior parte do líquido de arrefecimento é transportada para a área central da fonte de calor da reação pelo ar e evapora, levando o calor gerado durante a reação. Um sistema de células de combustível de resfriamento evaporativo não requer um umidificador, pois a troca de calor de evaporação e condensação é mais eficiente do que a troca de calor de convecção monofásica, reduzindo significativamente a carga na bomba de água e no radiador de resfriamento.

(2) Dissipação de calor do tubo de calor

O resfriamento do tubo de calor envolve incorporar o tubo de calor em uma placa bipolar. Na ausência de energia externa, o tubo de calor transfere uma grande quantidade de calor em longas distâncias através de sua área de seção transversal para resfriamento. O material do tubo de calor é tipicamente liga de cobre ou alumínio, garantindo que a temperatura na fonte de calor permaneça bem distribuída. A pesquisa sobre a aplicação da tecnologia de resfriamento de tubos de calor em aplicações de células de combustível ainda está em seus estágios iniciais e requer desenvolvimento adicional.

O gerenciamento térmico é crucial para o desempenho das células de combustível, afetando sua eficiência, vida útil e segurança. Atualmente, a tecnologia mais usada no campo da célula de combustível é o resfriamento monofásico. A tecnologia de refrigeração de mudanças de fase, com sua uniformidade e alta eficiência, é uma direção de pesquisa altamente promissora. Ao mesmo tempo, estratégias eficazes de controle de gerenciamento térmico são essenciais para garantir a operação adequada das células de combustível. Por exemplo, quando a temperatura da célula de combustível aumenta e o sistema de gerenciamento térmico não pode fornecer dissipação de calor suficiente, as estratégias de controle na plataforma do sistema de energia devem considerar medidas, como limitar a potência de saída da célula de combustível para melhorar sua vida útil, segurança e segurança e durabilidade. Para melhorar a capacidade de dissipação de calor do sistema de gerenciamento térmico da célula de combustível, também devem ser feitos esforços para aumentar a temperatura operacional da célula de combustível e melhorar as características da temperatura dos materiais de células de combustível. Por exemplo, se a temperatura operacional da célula de combustível for aumentada para 95 ℃, a capacidade de dissipação de calor do sistema de gerenciamento térmico poderá ser melhorada em mais de 50%.