Anwendung zu Wärmerohren im Wärmemanagement von Brennstoffzellen

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) nutzen Wärmemanagementtechnologien wie Luftkühlung und Flüssigkeitskühlung, wodurch überschüssige Wärme von der Batterie effektiv übertragen werden kann.Für den Antrieb des Flüssigkeitsstroms ist jedoch Hilfsarbeit erforderlich, was zweifellos die Gesamtleistung der Batterie verringert.Das pulsierende Wärmerohr (PHP) kann als neuartiges Wärmeableitungsgerät aufgrund seiner Kompaktheit, schnellen Wärmeübertragung und ohne zusätzliche Arbeitsunterstützung für ein effektives Wärmemanagement in PEMFC sorgen.

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) gelten aufgrund ihrer Vorteile wie niedrige Betriebstemperatur, hohe Leistungsdichte, schneller Start und Übergangsfähigkeit als die vielversprechendsten Kandidaten für Transport-, stationäre, Hilfs- und tragbare Anwendungen der nächsten Generation und geringe Emissionen.Trotz umfangreicher Forschung und Fortschritte bei Brennstoffzellen gibt es immer noch einige technische Hindernisse für ihre Kommerzialisierung, insbesondere im Hinblick auf ihre Haltbarkeit und Kosten.Aufgrund elektrochemischer Reaktionen und elektrischer Widerstände entsteht im Brennstoffzellenstapel eine große Wärmemenge, die nahezu der elektrischen Leistungsabgabe entspricht. Daher sollte ein effektives Wärmemanagement durchgeführt werden, um eine Überhitzung der Komponenten zu vermeiden und einen günstigen Betrieb zu gewährleisten Temperaturbereich der aktuellen PEMFC (typischerweise im Bereich von 60 bis 80 °C).Unsachgemäßes Wärmemanagement und ungleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Brennstoffzellenstapels können zum Austrocknen des Elektrolyten (global oder lokal) oder zum Überfluten der Elektroden führen, was beides die Leistung der Brennstoffzelle beeinträchtigt.Andererseits ist der Temperaturunterschied zwischen PEMFC und Umgebungstemperatur im Vergleich zu Verbrennungsmotoren sehr gering, sodass ein ordnungsgemäßes Wärmemanagement von PEMFC-Batteriepaketen eine große Herausforderung darstellt, insbesondere wenn eine hohe Leistungsabgabe und eine hohe Leistungsdichte erforderlich sind.Stapeln Sie Automobilanwendungen.

Kommerzielle PEMFC-Kühlung erfolgt normalerweise durch erzwungene Konvektion von Luft oder Wasser. Die verwendete Luftkühlungsmethode verbraucht jedoch einen erheblichen Teil der Batterieleistung und verringert die Gesamtreichweite von Elektrofahrzeugen.Toyota beispielsweise nutzt für das Wärmemanagement eine gebläsebetriebene Konvektionskühlung, die etwa 40 Prozent der Energie der Batterie nutzt.In Hochleistungs-PEMFC-Stacks wird die Flüssigkeitskühlungsmethode aufgrund des hohen Wärmeübertragungskoeffizienten am häufigsten verwendet. Bisher wurde viel Arbeit in die Gestaltung der Kühlmittelströmungsfeldparameter, der Kühlkanalgeometrie, die Entwicklung alternativer Kühlmittel usw. investiert Kühlsysteme. Dies wird mit minimalem zusätzlichen Energieverlust und gleichmäßiger Temperaturverteilung in der gesamten Batterie erreicht.Mit der Weiterentwicklung der Technologie wird PEMFC schrittweise miniaturisiert und zentralisiert.Gleichzeitig können höhere Leistungsdichten erreicht werden.Daher kann die herkömmliche Kühlmethode den Bedarf nicht mehr decken.Die Entwicklung und Gestaltung einer effizienteren Kühlmethode ist zu einem Forschungsschwerpunkt im akademischen Bereich im In- und Ausland geworden.

Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit und ohne zusätzlichen Leistungseintrag, Wärmerohre kann selbst bei kleiner Querschnittsfläche eine große Wärmemenge über eine beträchtliche Distanz übertragen.Wärmerohre ermöglichen eine effiziente und zeitnahe Übertragung der im Batteriepaket erzeugten Wärme an die Umgebung oder die Nutzung der von Brennstoffzellen erzeugten Abwärme.Das pulsierende Wärmerohr (PHP) bietet die Vorteile einer geringen Größe, eines geringen Gewichts, einer guten effektiven Wärmeleitfähigkeit und eines geringen Wärmegradienten.Der Einsatz von PHP ermöglicht eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in der PEMFC und verbessert letztendlich deren Leistung, indem die Nachteile lokaler Temperaturen vermieden werden.

Die Struktur der PEMFC ist in Abbildung 1 dargestellt und besteht aus Bipolarplatten und Membranelektroden.Auf beiden Seiten der Membranelektroden sind Bipolarplatten montiert, um gasförmige Reaktanten für elektrochemische Reaktionen bereitzustellen.Membranelektroden bestehen aus zwei Gasdiffusionsschichten, zwei katalytischen Schichten und einer Protonenaustauschmembran.

Das Funktionsprinzip der PEMFC besteht darin, dass Wasserstoff und Sauerstoff (Luft) an die Anode bzw. Kathode abgegeben werden.An der Anodenelektrode (CL) wird Wasserstoff oxidiert und in Protonen und Elektronen gespalten.Protonen gelangen durch die PEM zur Kathode, während Elektronen über einen externen Stromkreis von der Anode zur Kathode geleitet werden.An der Kathodenelektrode diffundiert Sauerstoff vom Strömungsfeld durch die GDL/MPL zur Elektrode.Wo sich Elektronen und Protonen mit gelöstem Oxidationsmittel (Sauerstoff) verbinden, um Wasser und Wärme zu erzeugen.Die grundlegende elektrochemische Reaktion einer Brennstoffzelle ist wie folgt.

Die Formel gilt für die Wasserstoffoxidationsreaktion, die in der Anodenelektrode stattfindet.

Die Formel ist die Wasserstoffoxidationsreaktion, die in der Kathodenelektrode stattfindet.

Die Formel stellt den gesamten Reaktionsprozess dar.

Der Energieumwandlungswirkungsgrad von Brennstoffzellen liegt bei etwa 50 %.Dies deutet darauf hin, dass während des Betriebs fast die Hälfte der Energie als Wärme freigesetzt wird.Die Hauptwärmequellen von Brennstoffzellen sind entropische Reaktionswärme (30 %), irreversible Wärme elektrochemischer Reaktion (60 %), Joulesche Wärme des ohmschen Widerstands (10 %) und latente Wärme der Phasenänderung von Wasser.Der Energiefluss in PEMFC ist in Abbildung 2 dargestellt.

Die in einem Brennstoffzellenstapel erzeugte Wärmemenge kann durch Vergleich der Betriebsspannung mit der thermischen Neutralleiterspannung oder der thermischen Spannung einzelner Zellen ermittelt werden.Dieser Vorgang wird durch die folgende Formel dargestellt.

In der Formel ist Q die Heizrate.Eth ist die thermoneutrale Spannung der Brennstoffzelle, die die maximale Spannung einer einzelnen Zelle unter der Annahme darstellt, dass der Übertragungswirkungsgrad der Brennstoffzelle 100 % erreicht.Vcell ist die Betriebsspannung.i ist die Stromdichte.Eine Zelle ist der aktive Bereich einer einzelnen Zelle.

Herkömmliche Heatpipes bestehen aus versiegelten Röhren mit Dochtstruktur.Nach der Evakuierung wird das Wärmerohr mit Arbeitsmedium beaufschlagt.Durch die Wärmezufuhr am Verdampfungsende wird das Medium erhitzt und verdampft.Aufgrund der geringen Druckdifferenz erreicht der Dampf das Kondensationsende und kondensiert am Kondensationsende in einen flüssigen Zustand.Die von der flüssigkeitsabsorbierenden Kernstruktur bereitgestellte Kapillarkraft führt die kondensierte Flüssigkeit zum Verdampfungsende zurück, um den zirkulierenden Fluss der Arbeitsflüssigkeit zu realisieren.Die zweiphasige Zirkulationsströmung im Wärmerohr sorgt für eine gute Wärmeleitfähigkeit.

Anders als herkömmliche Heatpipes, z neue Art von WärmerohrDas pulsierende Wärmerohr (kurz PHP oder OHP) ist ein Gerät mit hoher Wärmeleitfähigkeit, das auf dem Gas-Flüssigkeits-Phasenwechsel des internen Arbeitsmediums beruht, um eine große Wärmeflussübertragung zu erreichen.Es wurde erstmals in den 1990er Jahren vom japanischen Gelehrten Akachi vorgeschlagen.

Der Arbeitsmechanismus des pulsierenden Wärmerohrs besteht hauptsächlich darin, den Dampf-Flüssigkeits-Pfropfen zu nutzen, der durch das Arbeitsmedium im Rohr gebildet wird.Der Innendruck ändert sich aufgrund der Phasenänderung der Wärmezufuhr, was wiederum dazu führt, dass das Arbeitsmedium im Rohr unregelmäßig oszilliert, um eine Wärmeübertragung zu realisieren.Abbildung 3 beschreibt das Funktionsprinzip des pulsierenden Wärmerohrs mit geschlossenem Kreislauf im Detail.Das pulsierende Wärmerohr wird durch eine Kapillare gebogen, um eine schlangenförmige Schleifenstruktur zu bilden.Entsprechend unterschiedlicher thermischer Grenzen wird es in drei Teile unterteilt: Verdampfungsende, Kondensationsende und adiabatisches Ende.Das pulsierende Wärmerohr, das sich im Inneren im Vakuumzustand befindet, wird über die Flüssigkeitseinfüllöffnung mit Arbeitsflüssigkeit gefüllt.Nach dem Kapillarprinzip werden Reibung und Oberflächenspannung des flüssigen Arbeitsmediums und der Wand durch deren Schwerkraft ausgeglichen.Daher sind die Dampf-Flüssigkeits-Pfropfen phasenweise innerhalb der Rohrleitung verteilt.Durch die Wärmezufuhr vom Verdampfungsende des pulsierenden Wärmerohrs nimmt das Arbeitsmedium im Rohr Wärme auf und verdampft, um Blasen zu erzeugen, die unter der Wirkung des Innendrucks allmählich zu einem Dampfpfropfen wachsen.Wenn der Druck des Dampfstopfens weiter ansteigt und einen bestimmten Wert erreicht, kann er die Schwerkraft und den Reibungswiderstand des Flüssigkeitsstopfens überwinden und den angrenzenden Flüssigkeitsstopfen zum Kondensationsende schieben, wodurch eine Wärmeübertragung realisiert wird.Wenn der Dampf-Flüssigkeits-Pfropfen das Kondensationsende erreicht, kondensiert der Dampf-Pfropfen und gibt eine große Menge latenter Wärme ab.Gleichzeitig sinkt durch die Wärmefreisetzung auch die Temperatur des flüssigen Pfropfenarbeitsmediums.Schließlich verwirklicht das Arbeitsmedium die pulsierende Zirkulationsströmung unter der gemeinsamen Wirkung von thermischer Antriebskraft, Oberflächenspannung, Kapillarwiderstand und Schwerkraft.

Derzeit haben die meisten Forschungseinrichtungen weitere Experimente und Simulationen mit Arbeitsflüssigkeiten wie Wasser, Methanol, Ethanol, Aceton und siedenden, nicht mischbaren Arbeitsflüssigkeiten durchgeführt.Im Allgemeinen haben Alkohole relativ niedrige Siedepunkte, relativ hohe latente Verdampfungswärmen und Verhältnisse von Sättigungsdruckgradienten zu Temperaturen.Es funktioniert mit der Schnellstartfunktion von PHP.Unter Bedingungen hoher Heizleistung kann die PHP-Mischung schnell starten und einen stabilen, unidirektionalen Pulsationszyklus erreichen.Nanofluide haben hervorragende physikalische Eigenschaften.Es ist von großer Bedeutung, den Kapillarrückfluss zu überwinden und die Flüssigkeitszirkulation und -oszillation zu fördern.

Die Konfiguration des von PHP gekühlten PEMFC-Stacks ist wie folgt.Im Stack befinden sich 5 Batteriezellen und PHP.Jede Batteriezelle ist zwischen zwei pulsierenden Wärmerohren angeordnet (einzelne Zellen werden durch C1–C5 dargestellt), wie in Abbildung 4 dargestellt. Eine vollständige Batteriezelle besteht aus einer Anodenströmungsplatte (AFP), einer Kathodenströmungsplatte (CFP) und einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA).MEA umfasst Membran, Anodenkatalysatorschicht (ACL), Anodengasdiffusionsschicht (AGDL), Kathodenkatalysatorschicht (CCL) und Kathodengasdiffusionsschicht (CGDL).Es ist eine der praktikablen Kombinationen von PEMFC und FPHP.

Zusammenfassend bietet PHP die Vorteile einer geringen Größe, eines geringen Gewichts, einer guten effektiven Wärmeleitfähigkeit und eines geringen Wärmegradienten.Durch die Vermeidung der Nachteile lokaler Temperaturen ermöglicht der Einsatz von PHP eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in PEMFC und verbessert letztendlich deren Leistung.Der pulsierende Wärmerohre Nanoflüssigkeiten enthaltende Nanoflüssigkeiten haben potenziellen Wert als neues Wärmeableitungsgerät zur Verbesserung der Wärmemanagement von PEM-FC.