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Anzahl Durchsuchen:0 Autor:Site Editor veröffentlichen Zeit: 2023-02-01 Herkunft:Powered
Die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) verwendet Wärmemanagementtechnologien wie Luftkühlung und Flüssigkeitskühlung, die überschüssige Wärme effektiv von der Batterie übertragen kann.Es ist jedoch Hilfsarbeit erforderlich, um den Fluidstrom anzutreiben, was zweifellos die Gesamtleistung der Batterie verringert.Das pulsierende Wärmerohr (PHP) als neuartige Wärmeableitungsvorrichtung kann aufgrund seiner Kompaktheit, schnellen Wärmeübertragung und ohne zusätzliche Arbeitsunterstützung ein effektives Wärmemanagement in PEMFC bieten.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) gelten aufgrund ihrer Vorteile wie niedrige Betriebstemperatur, hohe Leistungsdichte, schnelles Hochfahren und Übergangsfähigkeit als die vielversprechendsten Kandidaten für Transport-, stationäre, Hilfs- und tragbare Anwendungen der nächsten Generation , und niedrige Emissionen.Trotz umfangreicher Forschung und Fortschritte bei Brennstoffzellen gibt es immer noch mehrere technische Hindernisse für ihre Kommerzialisierung, insbesondere im Hinblick auf ihre Haltbarkeit und Kosten.Aufgrund von elektrochemischen Reaktionen und elektrischem Widerstand wird im Brennstoffzellenstapel eine große Wärmemenge erzeugt, die nahezu der abgegebenen elektrischen Leistung entspricht, daher sollte ein effektives Wärmemanagement durchgeführt werden, um eine Überhitzung von Komponenten zu vermeiden und einen günstigen Betrieb zu gewährleisten Temperaturbereich der aktuellen PEMFC (typischerweise im Bereich von 60 bis 80 ℃).Unsachgemäßes Wärmemanagement und ungleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Brennstoffzellenstapels können zu Elektrolytaustrocknung (global oder lokal) oder Elektrodenüberflutung führen, die beide die Brennstoffzellenleistung verschlechtern.Andererseits ist der Temperaturunterschied zwischen PEMFC und Umgebungstemperatur im Vergleich zu Verbrennungsmotoren sehr gering, sodass ein ordnungsgemäßes Wärmemanagement von PEMFC-Batteriepacks sehr herausfordernd ist, insbesondere wenn eine hohe Ausgangsleistung und eine hohe Leistungsdichte erforderlich sind.Automobilanwendungen stapeln.
Kommerzielle PEMFC-Kühlung wird normalerweise durch Zwangskonvektion von Luft oder Wasser durchgeführt, jedoch verbraucht das angewandte Luftkühlungsverfahren einen erheblichen Teil der Batterieleistung und verringert die Gesamtreichweite von Elektrofahrzeugen.Toyota verwendet beispielsweise eine lüftergetriebene Konvektionskühlung für das Wärmemanagement, die etwa 40 Prozent der Energie der Batterie verbraucht.In Hochleistungs-PEMFC-Stapeln wird das Flüssigkeitskühlverfahren aufgrund des hohen Wärmeübertragungskoeffizienten am häufigsten verwendet, und bisher wurde viel Arbeit geleistet, um die Kühlmittelströmungsfeldparameter, die Kühlkanalgeometrie, die Entwicklung alternativer Kühlmittel und zu entwerfen Kühlsysteme, Dies wird mit minimalem zusätzlichen Energieverlust und einer gleichmäßigen Temperaturverteilung in der gesamten Batterie erreicht.Mit dem technologischen Fortschritt 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.
Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit und keine zusätzliche Leistungsaufnahme, Wärmerohre kann auch bei kleiner Querschnittsfläche eine große Wärmemenge über eine beträchtliche Distanz übertragen.Heatpipes 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) hat die Vorteile einer geringen Größe, eines geringen Gewichts, einer guten effektiven Wärmeleitfähigkeit und eines geringen Wärmegradienten.Die Verwendung von PHP ermöglicht eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in der PEMFC und verbessert letztendlich ihre Leistung, indem die Nachteile lokaler Temperaturen vermieden werden.
Die Struktur der PEMFC ist in Abbildung 1 dargestellt, die aus Bipolarplatten und Membranelektroden besteht.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 Arbeitsprinzip der PEMFC besteht darin, dass Wasserstoff und Sauerstoff (Luft) an die Anode bzw. Kathode geliefert werden.An der Anodenelektrode (CL) wird Wasserstoff oxidiert und in Protonen und Elektronen gespalten.Protonen passieren die PEM zur Kathode, während Elektronen von der Anode durch einen externen Stromkreis zur Kathode geleitet werden.An der Kathodenelektrode diffundiert Sauerstoff aus dem 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 auftritt.
Die Formel ist die Wasserstoffoxidationsreaktion, die in der Kathodenelektrode stattfindet.
Die Formel repräsentiert den gesamten Reaktionsablauf.
Der Energieumwandlungswirkungsgrad von Brennstoffzellen beträgt etwa 50 %.Dies deutet darauf hin, dass fast die Hälfte der Energie während des Betriebs als Wärme freigesetzt wird.Die Hauptwärmequellen von Brennstoffzellen sind entropische Reaktionswärme (30 %), irreversible Wärme der elektrochemischen 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 bestimmt werden, indem die Betriebsspannung mit der thermisch neutralen Spannung oder der thermischen Spannung einzelner Zellen verglichen wird.Dieser Prozess 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 die Übertragungseffizienz der Brennstoffzelle 100 % erreicht.Vcell ist Betriebsspannung.i ist die Stromdichte.Eine Zelle ist ein aktiver Bereich einer einzelnen Zelle.
Herkömmliche Heatpipes bestehen aus versiegelten Rohren mit einer Dochtstruktur.Nach dem Evakuieren wird das Wärmerohr mit Arbeitsmedium befüllt.Unter Einwirkung von 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 das kondensierte Fluid zum Verdampfungsende zurück, um die Zirkulationsströmung des Arbeitsfluids zu realisieren.Die zweiphasige Zirkulationsströmung im Wärmerohr verleiht diesem eine gute Wärmeleitfähigkeit.
Anders als herkömmliche Heatpipes, da a neue Art von Wärmerohren, das pulsierende Wärmerohr (kurz PHP oder OHP) ist ein Gerät mit hoher Wärmeleitfähigkeit, das auf dem Gas-Flüssigkeits-Phasenwechsel des internen Arbeitsfluids beruht, um eine große Wärmeflussübertragung zu erreichen.Es wurde erstmals vom japanischen Gelehrten Akachi in den 1990er Jahren vorgeschlagen.
Der Arbeitsmechanismus des pulsierenden Wärmerohrs besteht hauptsächlich darin, den Dampf-Flüssigkeits-Pfropfen zu nutzen, der durch das Arbeitsfluid in dem Rohr gebildet wird.Der Innendruck ändert sich aufgrund der Phasenänderung des Wärmeeintrags, was wiederum dazu führt, dass das Arbeitsmedium im Rohr unregelmäßig schwingt, um die Wärmeübertragung zu realisieren.Abbildung 3 beschreibt das Arbeitsprinzip des pulsierenden Wärmerohrs mit geschlossener Schleife im Detail.Das pulsierende Wärmerohr wird durch eine Kapillare gebogen, um eine Serpentinenschleifenstruktur zu bilden.Nach unterschiedlichen thermischen Grenzen wird es in drei Teile unterteilt: Verdampfungsende, Kondensationsende und adiabatisches Ende.Das pulsierende Wärmerohr, das sich im Inneren in einem Vakuumzustand befindet, wird durch die Flüssigkeitseinfüllöffnung mit Arbeitsflüssigkeit gefüllt.Nach dem Kapillarprinzip werden Reibung und Oberflächenspannung des flüssigen Arbeitsmediums und der Wand mit ihrer Schwerkraft ausgeglichen.Daher sind die Dampf-Flüssigkeits-Pfropfen in Phasen innerhalb der Pipeline verteilt.Durch den Wärmeeintrag vom verdampfenden Ende des pulsierenden Wärmerohres nimmt das Arbeitsmedium im Rohr Wärme auf und verdampft unter Erzeugung von Blasen, die unter Einwirkung des Innendrucks allmählich zu einem Dampfpfropfen anwachsen.Wenn der Druck des Dampfpfropfens weiter ansteigt und einen bestimmten Wert erreicht, kann er die Schwerkraft und den Reibungswiderstand des Flüssigkeitspfropfens überwinden und den benachbarten Flüssigkeitspfropfen drücken, um sich zum Kondensationsende zu bewegen, wodurch eine Wärmeübertragung realisiert wird.Wenn der Dampf-Flüssigkeits-Pfropfen das Kondensationsende erreicht, kondensiert der Dampfpfropfen und setzt eine große Menge latenter Wärme frei.Gleichzeitig wird durch die Wärmefreisetzung auch die Temperatur des flüssigen Pfropfenarbeitsmediums reduziert.Schließlich verwirklicht das Arbeitsfluid die pulsierende Zirkulationsströmung unter der gemeinsamen Wirkung von thermischer Antriebskraft, Oberflächenspannung, Kapillarwiderstand und Schwerkraft.
Gegenwärtig haben die meisten Forschungseinrichtungen mehr 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 Verdampfungswärme und Verhältnisse von Sättigungsdruckgradienten zu Temperaturen.Es funktioniert mit der Quickstart-Funktion von PHP.Unter hohen Heizleistungsbedingungen kann das PHP mit Mischung schnell starten und einen stabilen unidirektionalen pulsierenden Zyklus 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.Es gibt 5 Batteriezellen und PHP im Stack.Jede Batteriezelle ist zwischen zwei pulsierenden Wärmerohren angeordnet (einzelne Zellen sind durch C1–C5 dargestellt), wie in Abbildung 4 gezeigt. Eine vollständige Batteriezelle besteht aus einer Anodendurchflussplatte (AFP), einer Kathodendurchflussplatte (CFP) und a Membran-Elektroden-Einheit (MEA).Die MEA umfasst eine Membran, eine Anodenkatalysatorschicht (ACL), eine Anodengasdiffusionsschicht (AGDL), eine Kathodenkatalysatorschicht (CCL), eine Kathodengasdiffusionsschicht (CGDL).Es ist eine der praktikablen Kombinationen von PEMFC und FPHP.
Zusammenfassend hat 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 die Verwendung von PHP eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in PEMFC und verbessert letztendlich ihre Leistung.Die pulsierende Wärmerohre enthaltende Nanofluide haben potenziellen Wert als neue Wärmeableitungsvorrichtung zur Verbesserung der Wärmemanagement von PEM-FC.
