Повышение эффективности с помощью решений для систем охлаждения топливных элементов

Введение

С ростом интереса к постепенному переходу на более чистую энергию в мире технология топливных элементов, в частности протонообменных мембранных топливных элементов (PEMFC), может рассматриваться как один из столпов в декарбонизации транспорта и энергетики. Эти электрохимические чудеса отличаются нулевым уровнем выбросов, эффективностью и быстрой заправкой. Производители топливных элементов во всем мире тратят огромные средства на исследования и разработку этих технологий, поскольку их решения на основе топливных элементов весьма многочисленны, вплоть до стационарных электростанций и транспортных средств на топливных элементах. Но чтобы использовать их в полной мере, необходимо решить очень сложную инженерную головоломку: терморегулирование.

Топливный элемент не только преобразует энергию, но и является большим источником тепла. Энергия, выделяющаяся при реакции водорода, примерно на 50-60% преобразуется в электричество, а остальная энергия направляется в виде отработанного тепла. Таким образом, теплообмен, особенно при комнатной температуре, будет очень важен. В отсутствие усовершенствованной системы управления такое тепло может нарушить производительность, ускорить деградацию и, в конечном счете, привести к преждевременному выходу из строя.

В этой статье мы погрузимся в глубины мира системы охлаждения топливных элементов. Мы обсудим, почему она так важна и чем отличается от традиционного подхода к охлаждению двигателя, а также какие основные проблемы при проектировании такой системы влияют на ее эффективность в целом. Что еще более важно, мы дадим практические советы и способы решения проблемы и покажем, что каждая деталь, а главное - детали воздушного потока, играют очень важную роль в создании лучшей и работающей системы топливных элементов.

Почему a Топливный элемент Система охлаждения это Критически важная задача?

Чтобы понять необходимость наличия системы охлаждения, нужно знать о сути PEMFC - мембране. Протонообменная мембрана - это тонкая, хрупкая полимерная пленка, которая должна быть гидратирована, что позволяет ей эффективно проводить протоны. У нее есть оптимальный рабочий диапазон, который очень мал, обычно между 60 и 80 °C.

Холодная среда может замедлить электрохимическую реакцию и ограничить выход энергии. Если же температура достигает слишком высокого уровня, последствия будут гораздо серьезнее:

Мембрана Обезвоживание: При температуре выше 80 о С вода из мембраны начинает испаряться со скоростью, превышающей скорость ее пополнения. Сухость мембраны вызывает резкий рост ионного сопротивления, что снижает эффективность и мощность топливного элемента.
Деградация компонентов: Постоянные высокие температуры приводят к постоянному разрушению всех жизненно важных деталей, а именно мембраны, катализаторов и газодиффузионных слоев. Повреждения обычно носят необратимый характер или сокращают срок службы топливных элементов.
Сокращение срока службы системы: В приложениях, где требуются десятки тысяч часов надежной работы, эффективное терморегулирование не является опцией; оно - главный компонент, определяющий, сможет ли система прослужить положенный ей срок.

По сути, система охлаждения топливных элементов является жизнеобеспечивающим контуром стека. Она не имеет отношения к предотвращению перегрева как такового, но поддерживает нужную температуру, чтобы максимизировать как краткосрочную, так и долгосрочную производительность.

Что делает топливный элемент Чем системы охлаждения отличаются от традиционных систем охлаждения двигателя?

Инженеры, работающие с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), могут склониться к мысли, что охлаждение топливных элементов происходит примерно так же. Хотя в обеих системах для отвода тепла используются радиаторы, охлаждающие жидкости и вентиляторы двигателя внутреннего сгорания, присущие им требования и ограничения кардинально отличаются; таким образом, управление тепловым режимом топливных элементов не похоже ни на что, встречавшееся ранее.

Характеристика	Охлаждение двигателя внутреннего сгорания (ДВС)	Система охлаждения топливных элементов
Рабочая температура	Высокий (90°C - 105°C)	Низкий (60°C - 80°C)
Дельта температуры (ΔT)	Большой (ΔT > 60°C при температуре окружающего воздуха)	Небольшой (ΔT < 40°C при температуре окружающего воздуха)
Требование к охлаждающей жидкости	Стандартная смесь этиленгликоля и воды	Смесь воды и гликоля с низкой электропроводностью (деионизированная)
Ограничения по материалу	Основное внимание уделяется коррозионной стойкости	Высоковольтная изоляция и низкий уровень ионного выщелачивания имеют решающее значение

Давайте разберемся в этих различиях:

Низкая рабочая температура и меньший ΔT: ДВС работает в горячем режиме, создавая большую разницу температур (ΔT) между охлаждающей жидкостью и окружающим воздухом. Эта большая ΔT делает отвод тепла относительно простым. Топливный элемент, однако, работает при гораздо более низкой температуре. Это приводит к значительно меньшей ΔT, что означает, что радиатор должен быть В 2-3 раза больше чем у сопоставимого по мощности дизельного двигателя, чтобы отвести такое же количество тепла. Это напрямую влияет на компоновку, вес и аэродинамический дизайн автомобиля.
Охлаждающая жидкость Электропроводность: Это, пожалуй, самое важное отличие. Стек используемого топливного элемента находится под высоким напряжением. В случае, если охлаждающая жидкость станет электропроводной, это может привести к короткому замыканию в контуре охлаждения или реакционной оболочке, что приведет к серьезной угрозе безопасности и разрушению стека. Таким образом, система должна работать в холодной воде с низкой проводимостью (деионизированная вода с гликолем), а устройство, составляющее контур, должно быть изготовлено из материалов, в которых ионы не могут просочиться в воду.

система хранения энергии на топливных элементах

Общие проблемы проектирования, влияющие на эффективность системы

Разработка эффективной системы охлаждения топливных элементов - это постоянный процесс балансировки. Инженерам приходится решать несколько взаимосвязанных задач, каждая из которых оказывает непосредственное влияние на эффективность всей системы питания на топливных элементах.

Паразитная нагрузка: Это заклятый соперник эффективности системы. Компоненты системы охлаждения, такие как насос охлаждающей жидкости и вентиляторы радиатора, потребляют энергию для работы системы охлаждения. Эта мощность называется паразитной нагрузкой, которая напрямую отбирается из производительности топливных элементов, уменьшая чистую мощность, которая может быть использована электромобилями или другими приложениями. Неэффективные компоненты в плохо спроектированной системе могут потреблять до 10-15% от общей выходной мощности, что значительно влияет на общую эффективность автомобиля и количество используемого водорода.
Равномерность температуры: Простого поддержания средней температуры в штабеле в пределах нормы недостаточно; температура каждой ячейки в штабеле должна быть как можно более равномерной. Превышение температуры на 5-7 °C по всему штабелю может привести к появлению горячих и холодных зон. Горячие зоны вызывают локальную деградацию, а холодные зоны могут быть подвержены затоплению водой, что снижает производительность и надежность. Такая равномерность требует тщательно продуманной конструкции каналов охлаждения в биполярных пластинах и тщательного выбора охлаждающих жидкостей для топливных элементов с соответствующими свойствами теплопроводности.
Динамический отклик: В отличие от стационарного электрогенератора, топливный элемент в автомобиле должен быть способен реагировать на резкие изменения потребности в энергии, такие как ускорение, движение на круизе и торможение. Система охлаждения должна реагировать так же быстро, увеличивая расход воздуха и охлаждающей жидкости, чтобы справиться с импульсной тепловой нагрузкой, и уменьшая их для экономии энергии в периоды низкой нагрузки. Медленность реакции может привести к опасному превышению температуры.

Сравнение стратегий охлаждения: Жидкость против жидкости. Охлаждение воздуха

Стратегия охлаждения системы топливных элементов в основном определяется мощностью вырабатываемой энергии и ее применением.

Жидкостное охлаждение

В любом приложении мощностью более 5 кВт жидкостное охлаждение является неоспоримым стандартом. Это лучшее решение для высоких тепловых нагрузок, возникающих в автомобильных, тяжелых грузовых, морских и стационарных системах на топливных элементах.

Технология: Электрический насос рециркулирует охлаждающую жидкость с низкой электропроводностью через сложные сети каналов в биполярных пластинах, составляющих стек топливного элемента. Эта жидкость обычно нагревается до теплого состояния и поступает в большой радиатор (теплообменник), где один или несколько мощных вентиляторов прогоняют окружающий воздух через внешние ребра и уносят тепло. После этого охлажденная жидкость закачивается в трубу для возобновления работы.
Плюсы: Отличная способность к централизации тепла, что позволяет создать высокую плотность мощности. Его можно регулировать для обеспечения оптимальной температуры.
Конс: очень сложная конструкция, тяжелые и громоздкие (большие радиаторы), высокая паразитная мощность, потребляемая насосом и вентиляторами.

система терморегулирования аккумулятора электромобиля

Охлаждение воздуха

Маломощные устройства (обычно <5 кВт), например, беспилотники, портативные блоки питания и небольшие вспомогательные силовые установки (APU), можно элегантно и просто охлаждать с помощью прямого воздушного охлаждения.

Как это работает: В этом методе поток воздуха проходит над внешними поверхностями пластин топливного элемента, отводя тепло. Для этого используются либо так называемые конструкции с открытым катодом, где в качестве охладителя также используется реакционный воздух, либо специальный вентилятор, нагнетающий воздух вокруг охлаждающих ребер, прикрепленных к корпусу ячейки.
Плюсы: Очень простой, недорогой, легкий, без паразитной нагрузки насоса охлаждающей жидкости.
Конс: Ограниченная мощность охлаждения, что означает, что он не подходит для высокой мощности. Кроме того, у него менее точный контроль температуры, и в некоторых случаях работоспособность может сильно зависеть от температуры воздуха.

Как высокоэффективный воздушный поток повышает вашу Топливный элемент Система охлаждения

В машинах с жидкостным охлаждением, которые составляют большую часть рынка, последний и самый серьезный шаг в отводе тепла происходит на радиаторе. Независимо от того, как построена остальная часть системы, она бесполезна, если вы не можете должным образом перевести тепло, находящееся на радиаторе, в воздух. Воздушный поток - единственное, что определяет эффективность этого этапа.

Основным источником этого воздуха является вентилятор радиатора. Он также создает одну из самых больших паразитных нагрузок в системе. Таким образом, эффективность вентилятора - это не просто незначительная характеристика, а ключевой компонент в повышении общей эффективности системы охлаждения топливных элементов. Для обеспечения необходимого воздушного потока неэффективному вентилятору требуется повышенная мощность и быстрое вращение, что снижает дальность хода автомобиля или чистую выходную мощность системы. Именно в этом случае тактический выбор качественного, специально разработанного вентилятора становится решающим.

ACDCFAN: Разработаны для максимальной эффективности и надежности

Мы в ACDCFAN понимаем, что вентилятор для системы охлаждения топливных элементов - это не просто вентилятор. Это критически важный компонент, работающий в сложных условиях. Обладая более чем 20-летним опытом работы, мы разрабатываем наши вентиляторы для непосредственного решения основных задач терморегулирования топливных элементов.

Вот как мы обеспечиваем ценность для наших клиентов:

Резко сниженная паразитная нагрузка: Наши бесщеточные осевые вентиляторы DC и EC имеют усовершенствованную аэродинамическую конструкцию лопастей. Это позволяет им перемещать больше воздуха (более высокий CFM) при меньшей мощности, напрямую снижая паразитную нагрузку на систему. Это приводит к ощутимому повышению эффективности системы и снижению потребления водорода.
Непревзойденная прочность и долговечность: Надежность не подлежит обсуждению. Наши вентиляторы созданы для того, чтобы служить долго, с сертифицированным сроком службы 70 000 часов при рабочей температуре 40°C. Это почти 8 лет непрерывной работы в режиме 24/7. Мы достигаем этого благодаря превосходным материалам, например, рамам из алюминия высшего класса, усиленным медью для более стабильной работы 30%, и неустанному вниманию к стабильности производства. Такой срок службы значительно превышает типичный срок службы стандартных вентиляторов, составляющий 1-2 года, что позволяет сократить расходы на обслуживание и обеспечить бесперебойную работу системы.
Устойчивость в суровых условиях: Системы на топливных элементах работают в реальных условиях, подвергаясь воздействию пыли, влаги и вибрации. ACDCFAN специализируется на надежных конструкциях. Наши вентиляторы могут быть сконфигурированы с IP уровень защиты до IP68что делает их полностью пыленепроницаемыми и защищенными от длительного погружения в воду. Такая надежность "установи и забудь" очень важна для приложений, где отказ компонентов недопустим.
Сертифицированное качество: Доверие строится на доказательствах. ACDCFAN обладает международно признанными сертификатами, включая CE, UL, RoHS и EMCМы гарантируем нашим партнерам, что наша продукция соответствует самым высоким мировым стандартам безопасности, качества и производительности.

Заключение

Путь к эффективной работе топливных элементов сопряжен с тепловыми проблемами. Как мы уже убедились, система охлаждения топливных элементов представляет собой сложную и узкоспециализированную область, принципиально отличающуюся от аналогичных систем внутреннего сгорания. Успешное управление паразитными нагрузками, обеспечение равномерности температуры и выбор правильной стратегии охлаждения имеют первостепенное значение для раскрытия всего потенциала этой экологически чистой энергетической технологии.

В этой сложной системе важен каждый компонент. Вентилятор радиатора, которому часто не уделяют должного внимания, оказывается важнейшим стержнем эффективности и надежности. Отдавая предпочтение высокоэффективным решениям в области воздушных потоков, инженеры могут значительно сократить потребление энергии, продлить срок службы системы и в конечном итоге создать более конкурентоспособный и надежный продукт. По мере развития водородной экономики сотрудничество с экспертами-производителями компонентов, которые понимают эти нюансы, станет ключом к созданию надежных и эффективных систем завтрашнего дня, обеспечивая повсеместный успех и внедрение автомобилей на топливных элементах и других передовых приложений на топливных элементах.