Melhorar a eficiência com soluções de sistemas de arrefecimento de células de combustível

Introdução

Com o crescente interesse em mudanças progressivas para energias mais limpas no mundo, a tecnologia de células de combustível, especificamente a Célula de Combustível de Membrana de Troca de Protões (PEMFC), pode ser considerada como um dos pilares na descarbonização dos transportes e da produção de energia. Estas maravilhas electroquímicas são de emissão zero, eficientes e de reabastecimento rápido. Os fabricantes de pilhas de combustível a nível mundial estão a gastar muito dinheiro na investigação e desenvolvimento destas tecnologias, uma vez que as suas soluções de pilhas de combustível são bastante numerosas, indo desde a energia estacionária até aos veículos a pilhas de combustível. Mas a chave para as utilizar em pleno é resolver um puzzle de engenharia muito complicado: a gestão térmica.

Uma pilha de combustível não só converte energia como também é uma grande fonte de calor. A energia libertada na reação do hidrogénio é aproximadamente 50-60% convertida em eletricidade, sendo o resto da energia tratado como calor residual. A transferência de calor, especialmente à temperatura ambiente, será assim muito importante. Na ausência de um sistema de gestão avançado, esse calor pode afetar o desempenho de tal forma que acelera a degradação e, no final, pode haver problemas de avaria prematura.

Neste artigo, vamos mergulhar nas profundezas do mundo do sistema de arrefecimento das células de combustível. Vamos discutir porque é que é tão importante e como se compara com uma abordagem convencional ao arrefecimento do motor, bem como quais são os principais problemas da conceção de um sistema deste tipo que influenciam a sua eficiência como um todo. O mais importante é que daremos dicas práticas e formas de retificar o problema e mostraremos cada parte, sobretudo as partes do fluxo de ar, que desempenham um papel muito importante na criação de um sistema de célula de combustível melhor e mais funcional.

Porquê a Célula de combustível Sistema de arrefecimento é Missão crítica?

Para compreender a necessidade de ter um sistema de arrefecimento, os indivíduos devem conhecer o ponto do PEMFC; a membrana. A membrana de permuta de protões é uma película de polímero fina e frágil que tem de ser hidratada, permitindo-lhe conduzir eficazmente os protões. Tem uma gama de funcionamento óptima, que é extremamente fina, normalmente entre 60 °C e 80 °C.

Um ambiente frio pode abrandar uma reação eletroquímica e limitar a produção de energia. No caso de atingir valores demasiado elevados, os efeitos são muito mais graves:

Membrana Desidratação: Para além dos 80 °C, a água no interior da membrana começa a evaporar-se a um ritmo mais rápido do que o da recarga. A secura da membrana provoca um aumento acentuado da resistência iónica, o que diminui a eficiência e a potência da célula de combustível.
Degradação de componentes: As altas temperaturas constantes causam a degradação constante de todas as partes vitais, nomeadamente a membrana, os catalisadores e as camadas de difusão de gás. Os danos são geralmente permanentes ou prejudicam a vida útil da pilha de células de combustível.
Redução da vida útil do sistema: Em aplicações em que são necessárias dezenas de milhares de horas de serviço fiável, uma gestão térmica eficaz não é uma opção; é o principal ingrediente que determina se o sistema pode sobreviver à vida útil que é suposto ter.

Efetivamente, o sistema de arrefecimento da célula de combustível é o circuito de manutenção da vida da pilha. Não tem nada a ver com evitar o sobreaquecimento em si, mas com manter a temperatura correta para maximizar o desempenho a curto e longo prazo.

O que faz com que célula de combustível Os sistemas de arrefecimento são diferentes do arrefecimento tradicional do motor?

Os engenheiros de motores de combustão interna (ICE) podem ser tentados a pensar que o arrefecimento de uma célula de combustível é mais ou menos da mesma forma. Apesar de ambos os sistemas terem radiadores, líquido de arrefecimento do motor de combustão interna e ventiladores para dissipar o calor, os requisitos e limitações inerentes contrastam radicalmente; assim, a gestão térmica das células de combustível é diferente de tudo o que se viu antes.

Caraterística	Arrefecimento de motores de combustão interna (ICE)	Sistema de arrefecimento de células de combustível
Temperatura de funcionamento	Elevada (90°C - 105°C)	Baixa (60°C - 80°C)
Delta de temperatura (ΔT)	Grande (ΔT > 60°C com ar ambiente)	Pequena (ΔT < 40°C com ar ambiente)
Necessidade de líquido de refrigeração	Mistura padrão de etilenoglicol/água	Mistura de água/glicol de baixa condutividade (desionizada)
Restrições materiais	Principalmente centrado na resistência à corrosão	O isolamento de alta tensão e a baixa lixiviação de iões são fundamentais

Vamos analisar estas diferenças:

Temperatura de funcionamento mais baixa e ΔT mais pequeno: Um ICE funciona a quente, criando uma grande diferença de temperatura (ΔT) entre o líquido de arrefecimento e o ar ambiente. Este grande ΔT torna a rejeição de calor relativamente fácil. Uma célula de combustível, no entanto, funciona a uma temperatura muito mais baixa. Isto resulta num ΔT significativamente menor, o que significa que o radiador tem de ser 2-3 vezes maior do que a de um motor diesel de potência comparável para rejeitar a mesma quantidade de calor. Isto tem um impacto direto na embalagem, peso e conceção aerodinâmica do veículo.
Líquido de refrigeração Condutividade eléctrica: Este é provavelmente o ponto de diferença mais importante. A pilha da célula de combustível utilizada é de alta tensão. No caso de um líquido de arrefecimento se tornar condutor de eletricidade, pode estabelecer-se um caminho de curto-circuito no circuito de arrefecimento ou numa cobertura de reação, resultando num grave risco de segurança e na destruição da pilha. Assim, o sistema tem de funcionar em água fria com baixa condutividade (água desionizada com glicol) e o dispositivo que compõe o circuito tem de ser construído com materiais em que não haja fuga de iões para a água.

sistema de armazenamento de energia de células de combustível

Desafios comuns de conceção que afectam a eficiência do sistema

A conceção de um sistema de refrigeração eficaz para células de combustível é um ato de equilíbrio constante. Os engenheiros têm de enfrentar vários desafios interligados, cada um com um impacto direto na eficiência líquida de todo o sistema de energia das pilhas de combustível.

Carga parasita: Este é o arquirrival da eficiência do sistema. Os componentes do sistema de arrefecimento, como a bomba de refrigeração e as ventoinhas do radiador, consomem energia para fazer funcionar o sistema de arrefecimento. Esta energia é chamada de carga parasita, que é retirada diretamente do rendimento da célula de combustível, diminuindo a capacidade líquida que pode ser utilizada pelos veículos eléctricos ou por uma aplicação diferente. Os componentes ineficientes de um sistema mal concebido podem consumir até 10-15% da potência bruta de saída, o que afecta grandemente a eficiência geral do veículo e a quantidade de hidrogénio utilizada.
Uniformidade de temperatura: O simples facto de manter a temperatura média da pilha dentro de um intervalo não é suficiente; a temperatura de cada uma das células da pilha deve ser tão uniforme quanto possível. Um excesso de 5-7 °C nas temperaturas ao longo da pilha pode apresentar zonas de pontos quentes e zonas frias. Os pontos quentes causam degradação local e os pontos frios podem ser propensos a inundação por água, o que diminui o desempenho e a fiabilidade. Esta uniformidade exige uma conceção rigorosa dos canais de arrefecimento nas placas bipolares e uma escolha cuidadosa dos líquidos de arrefecimento das pilhas de combustível com propriedades de condutividade térmica adequadas.
Resposta dinâmica: Uma pilha de combustível num veículo tem de ser capaz de responder a variações súbitas nas necessidades de energia, como a aceleração, a velocidade de cruzeiro e a travagem, ao contrário de um gerador de energia estacionário. O sistema de arrefecimento tem de responder com a mesma rapidez, aumentando o caudal de ar e o caudal de líquido de arrefecimento para fazer face a uma carga térmica impulsiva e diminuindo ambos para poupar energia durante períodos de baixa carga. A lentidão da reação pode causar uma ultrapassagem perigosa da temperatura.

Comparação de estratégias de arrefecimento: Líquido vs. Arrefecimento do ar

A estratégia de arrefecimento do sistema de células de combustível é determinada principalmente pela capacidade da potência de saída e pela sua aplicação.

Arrefecimento líquido

Em qualquer aplicação superior a, digamos, 5 kW, a refrigeração líquida é o padrão indiscutível. Esta é a melhor solução para as elevadas cargas térmicas produzidas pelos sistemas de células de combustível para automóveis, camiões pesados, marinha e energia estacionária.

A tecnologia: Uma bomba eléctrica recircula um líquido de arrefecimento pouco condutor de eletricidade através das complexas redes de canais nas placas bipolares que constituem a pilha de células de combustível. Este líquido é normalmente aquecido até ao ponto em que fica quente e é transferido para um grande radiador (permutador de calor) onde uma ou mais ventoinhas fortes empurram o ar ambiente através das suas aletas exteriores e transportam o calor. O fluido refrigerado é depois bombeado para a pilha para reiniciar o funcionamento.
Prós: Excelente capacidade de centralização do calor, o que permite uma conceção de elevada densidade de potência. Também pode ser regulado para garantir uma temperatura óptima.
Contras: conceção muito complexa, pesada e volumosa (radiadores de grandes dimensões), elevada potência parasita absorvida pela bomba e pelas ventoinhas.

sistema de gestão térmica de baterias de veículos eléctricos

Arrefecimento do ar

As utilizações de baixa potência (normalmente <5 kW), por exemplo, drones, baterias eléctricas portáteis e pequenas unidades auxiliares de produção de energia (APU), podem ser arrefecidas de forma elegante e simples através do arrefecimento direto do ar.

Como funciona: Esta técnica aplica o fluxo de ar acima das superfícies mais externas das placas da célula de combustível, aplicando calor. Isto é feito através da utilização dos chamados desenhos de cátodo aberto, em que o ar de reação é também utilizado como refrigerante, ou através da utilização de uma ventoinha especial para soprar o ar à volta das aletas de arrefecimento que estão ligadas à caixa da pilha.
Prós: Muito simples, económico, leve e sem a carga parasita de uma bomba de refrigeração.
Contras: Potência de arrefecimento limitada, o que significa que não é adequado para potências elevadas. Também tem um controlo de temperatura menos preciso e, em alguns casos, a capacidade de trabalho pode depender muito da temperatura do ar.

Como o fluxo de ar de alta eficiência aumenta o seu Célula de combustível Sistema de arrefecimento

Nas máquinas arrefecidas por líquido, que constituem a maior parte do mercado, o último e mais importante passo na rejeição de calor ocorre no radiador. Independentemente da forma como o resto do sistema é construído, ele é inútil a menos que se possa mover corretamente o calor que está no radiador para o ar. O fluxo de ar é a única coisa que define a eficiência desta etapa.

O principal condutor desse ar é a ventoinha do radiador. Ela também cria uma das maiores cargas parasitas no sistema. Assim, a eficiência de uma ventoinha não é uma caraterística insignificante, mas sim um componente chave no aumento da eficiência global do sistema de arrefecimento da célula de combustível. Uma ventoinha ineficiente necessita de mais potência e de uma rotação mais rápida para fornecer o caudal de ar necessário, reduzindo assim a autonomia do veículo ou a potência líquida da aplicação. É aqui que entra em jogo a escolha tática de selecionar um ventilador de qualidade, construído para o efeito.

ACDCFAN: Concebido para a máxima eficiência e fiabilidade

Na ACDCFAN, compreendemos que um ventilador para um sistema de arrefecimento de células de combustível não é apenas mais um ventilador. É um componente de missão crítica que funciona num ambiente exigente. Com mais de 20 anos de experiência dedicada, concebemos os nossos ventiladores para enfrentar diretamente os principais desafios da gestão térmica das células de combustível.

Eis como fornecemos valor aos nossos clientes:

Carga parasitária drasticamente reduzida: As nossas ventoinhas axiais DC e EC sem escovas apresentam designs avançados de pás aerodinâmicas. Isto permite-lhes mover mais ar (maior CFM) com menos energia, reduzindo diretamente a carga parasita no seu sistema. Isto traduz-se em ganhos tangíveis na eficiência líquida do sistema e num menor consumo de hidrogénio.
Durabilidade e vida útil inigualáveis: A fiabilidade não é negociável. Os nossos ventiladores são construídos para durar, com uma vida útil certificada de 70.000 horas a uma temperatura de funcionamento de 40°C. São quase 8 anos de funcionamento contínuo, 24 horas por dia, 7 dias por semana. Conseguimos isto através de materiais de qualidade superior, como estruturas feitas de alumínio de primeira qualidade reforçado com cobre para um desempenho 30% mais estável, e um foco incansável na consistência da produção. Esta longevidade excede em muito a vida útil típica de 1-2 anos das ventoinhas padrão, reduzindo os custos de manutenção e garantindo o tempo de atividade do sistema.
Resiliência em ambientes adversos: Os sistemas de células de combustível funcionam no mundo real, expostos a poeira, humidade e vibração. A ACDCFAN é especializada em projectos robustos. Os nossos ventiladores podem ser configurados com um IP nível de proteção até IP68tornando-os totalmente estanques ao pó e protegidos contra a imersão prolongada em água. Esta fiabilidade de "instalar e esquecer" é crucial para aplicações em que a falha de componentes não é uma opção.
Qualidade certificada: A confiança é construída com base em provas. A ACDCFAN possui certificações reconhecidas internacionalmente, incluindo CE, UL, RoHS e EMCA nossa empresa é uma empresa de referência, garantindo aos nossos parceiros que os nossos produtos cumprem os mais elevados padrões globais de segurança, qualidade e desempenho.

sistema de arrefecimento de células de combustível

Conclusão

A jornada para uma operação eficiente da célula de combustível é pavimentada com desafios térmicos. Como vimos, o sistema de refrigeração das células de combustível é um domínio complexo e altamente especializado, fundamentalmente diferente dos seus homólogos de combustão interna. Gerenciar com sucesso as cargas parasitas, garantir a uniformidade da temperatura e escolher a estratégia de resfriamento correta são fundamentais para liberar todo o potencial dessa tecnologia de energia limpa.

Neste sistema complexo, todos os componentes são importantes. A ventoinha do radiador, muitas vezes negligenciada, surge como um elemento fundamental para a eficiência e fiabilidade. Ao dar prioridade a soluções de fluxo de ar de elevada eficiência, os engenheiros podem reduzir significativamente o consumo de energia, prolongar a vida útil do sistema e, em última análise, fornecer um produto mais competitivo e robusto. À medida que a economia do hidrogénio continua a crescer, a parceria com fabricantes de componentes especializados que compreendam estas nuances será a chave para construir os sistemas resilientes e eficientes de amanhã, assegurando o sucesso generalizado e a adoção de veículos a células de combustível e outras aplicações avançadas de células de combustível.