تطبيق حول الأنابيب الحرارية في الإدارة الحرارية لخلايا الوقود

تتبنى خلية وقود غشاء التبادل البروتوني (PEMFC) تقنيات إدارة الحرارة مثل تبريد الهواء و التبريد السائل، والتي يمكنها نقل الحرارة الزائدة من البطارية بشكل فعال.ومع ذلك ، فإن العمل الإضافي مطلوب لدفع تدفق السوائل ، مما يقلل بلا شك من الطاقة الإجمالية للبطارية.يمكن أن يوفر أنبوب الحرارة النابض (PHP) ، كجهاز جديد لتبديد الحرارة ، إدارة حرارية فعالة في PEMFC نظرًا لاكتنازه ونقل الحرارة السريع وعدم وجود دعم عمل إضافي.

تعتبر خلايا وقود غشاء التبادل البروتوني (PEMFC) من أكثر المرشحين الواعدين لتطبيقات النقل من الجيل التالي ، والثابتة ، والمساعدة ، والمحمولة نظرًا لمزاياها مثل درجة حرارة التشغيل المنخفضة ، وكثافة الطاقة العالية ، وبدء التشغيل السريع ، والقدرة العابرة ، وانبعاثات منخفضة.على الرغم من البحث المكثف والتقدم المحرز في خلايا الوقود ، لا تزال هناك العديد من العقبات التقنية التي تحول دون تسويقها ، لا سيما من حيث متانتها وتكلفتها.نظرًا للتفاعلات الكهروكيميائية والمقاومة الكهربائية ، يتم توليد كمية كبيرة من الحرارة في كومة خلايا الوقود ، والتي تكافئ تقريبًا خرج الطاقة الكهربائية ، لذلك يجب إجراء إدارة حرارية فعالة لتجنب ارتفاع درجة حرارة المكونات ولضمان التشغيل المناسب نطاق درجة حرارة PEMFC الحالي (عادة في 60 ~ 80 ℃).يمكن أن تؤدي الإدارة الحرارية غير السليمة والتوزيع غير المتكافئ لدرجة الحرارة داخل كومة خلايا الوقود إلى تجفيف الإلكتروليت (عالميًا أو محليًا) أو فيضان الإلكترود ، وكلاهما يؤدي إلى تدهور أداء خلية الوقود.من ناحية أخرى ، فإن الاختلاف في درجة الحرارة بين PEMFC ودرجة الحرارة المحيطة صغير جدًا مقارنة بمحركات الاحتراق الداخلي ، لذا فإن الإدارة الحرارية المناسبة لحزم بطاريات PEMFC تمثل تحديًا كبيرًا ، خاصة عند الحاجة إلى خرج طاقة عالي وكثافة طاقة عالية.كومة تطبيقات السيارات.

عادةً ما يتم إجراء تبريد PEMFC التجاري عن طريق الحمل الحراري القسري للهواء أو الماء ، ومع ذلك ، فإن طريقة تبريد الهواء المعتمدة تستهلك جزءًا كبيرًا من طاقة البطارية وتقلل من النطاق العام للمركبات الكهربائية.تويوتا ، على سبيل المثال ، تستخدم التبريد الحراري القسري من أجل الإدارة الحرارية ، باستخدام حوالي 40 في المائة من طاقة البطارية.في مداخن PEMFC عالية الطاقة ، يتم استخدام طريقة التبريد السائل على نطاق واسع بسبب ارتفاع معامل نقل الحرارة ، وحتى الآن ، تم إنجاز الكثير من العمل من خلال تصميم معلمات مجال تدفق المبرد ، وهندسة قناة التبريد ، وتطوير مبردات بديلة و أنظمة التبريد ، يتم تحقيق ذلك مع الحد الأدنى من فقدان الطاقة الإضافي وتوزيع منتظم لدرجة الحرارة في جميع أنحاء البطارية.مع تقدم التكنولوجيا ، أصبح PEMFC مصغرًا ومركزيًا بشكل تدريجي.في نفس الوقت ، يمكن تحقيق كثافة طاقة أعلى.لذلك ، لم تعد طريقة التبريد التقليدية قادرة على تلبية الطلب.أصبح تطوير وتصميم طريقة تبريد أكثر كفاءة نقطة ساخنة للبحث في المجال الأكاديمي في الداخل والخارج.

بسبب الموصلية الحرارية العالية وعدم وجود مدخلات طاقة إضافية ، أنابيب الحرارة يمكن أن تنقل كمية كبيرة من الحرارة على مسافة كبيرة حتى مع وجود مساحة مقطع عرضي صغيرة.تسمح أنابيب الحرارة بالنقل الفعال وفي الوقت المناسب للحرارة المتولدة داخل حزمة البطارية إلى البيئة ، أو استخدام الحرارة المهدرة الناتجة عن خلايا الوقود.يتميز أنبوب الحرارة النابض (PHP) بمزايا الحجم الصغير والوزن الخفيف والتوصيل الحراري الفعال الجيد والتدرج الحراري المنخفض.يسمح استخدام PHP بتوزيع أكثر اتساقًا لدرجة الحرارة في PEMFC ويحسن أدائها في النهاية من خلال تجنب عيوب درجات الحرارة المحلية.

يظهر هيكل PEMFC في الشكل 1 ، والذي يتكون من ألواح ثنائية القطب وأقطاب غشائية.يتم تجميع الألواح ثنائية القطب على جانبي أقطاب الغشاء لتوفير المواد المتفاعلة الغازية للتفاعلات الكهروكيميائية.تتكون الأقطاب الكهربائية الغشائية من طبقتين لانتشار الغاز وطبقتين تحفيزيتين وغشاء تبادل البروتون.

مبدأ عمل PEMFC هو أن الهيدروجين والأكسجين (الهواء) يتم توصيلهما إلى القطب الموجب والكاثود على التوالي.في القطب الموجب (CL) ، يتأكسد الهيدروجين وينقسم إلى بروتونات وإلكترونات.تمر البروتونات عبر PEM إلى الكاثود ، بينما يتم توصيل الإلكترونات من القطب الموجب إلى الكاثود عبر دائرة خارجية.على قطب الكاثود ، ينتشر الأكسجين من حقل التدفق إلى القطب عبر GDL / MPL.حيث تتحد الإلكترونات والبروتونات مع المؤكسد المذاب (الأكسجين) لإنتاج الماء والحرارة.يكون التفاعل الكهروكيميائي الأساسي لخلية الوقود على النحو التالي.

الصيغة هي لتفاعل أكسدة الهيدروجين الذي يحدث في القطب الموجب.

الصيغة هي تفاعل أكسدة الهيدروجين الذي يحدث في القطب السالب.

تمثل الصيغة عملية التفاعل بأكملها.

تبلغ كفاءة تحويل الطاقة لخلايا الوقود حوالي 50٪.يشير هذا إلى أن ما يقرب من نصف الطاقة سيتم إطلاقها كحرارة أثناء التشغيل.مصادر الحرارة الرئيسية لخلايا الوقود هي الحرارة الحتمية للتفاعل (30٪) ، الحرارة غير القابلة للعكس للتفاعل الكهروكيميائي (60٪) ، حرارة جول للمقاومة الأومية (10٪) والحرارة الكامنة لتغير طور الماء.يظهر تدفق الطاقة في PEMFC في الشكل 2.

يمكن تحديد كمية الحرارة المتولدة في كومة خلايا الوقود من خلال مقارنة جهد التشغيل بالجهد الحراري المحايد أو الجهد الحراري للخلايا الفردية.هذه العملية ممثلة بالصيغة التالية.

في الصيغة ، Q هو معدل التسخين.Eth هو الجهد المحايد حراريًا لخلية الوقود ، والذي يمثل أقصى جهد لخلية مفردة بافتراض أن كفاءة النقل لخلية الوقود تصل إلى 100٪.Vcell هو جهد التشغيل.أنا هي الكثافة الحالية.تعد Acell منطقة نشطة لخلية واحدة.

تصنع أنابيب الحرارة التقليدية من أنابيب محكمة الغلق ذات هيكل فتيل.بعد الإخلاء ، يتم حقن أنبوب الحرارة بوسط العمل.تحت تأثير مدخلات الحرارة في نهاية التبخر ، سيتم تسخين الوسيط وتبخره.نظرًا لاختلاف الضغط الصغير ، يصل البخار إلى نهاية التكثيف ويتكثف في حالة سائلة عند نهاية التكثيف.تعيد القوة الشعرية التي يوفرها الهيكل الأساسي الممتص للسائل السائل المكثف إلى نهاية التبخر لتحقيق التدفق الدوراني لسائل العمل.يوفر التدفق الدوري ثنائي الطور في الأنبوب الحراري موصلية حرارية جيدة.

تختلف عن أنابيب الحرارة التقليدية ، مثل أ نوع جديد من أنابيب الحرارة، أنبوب الحرارة النابض (PHP أو OHP للاختصار) هو جهاز توصيل حراري عالي يعتمد على تغيير الطور الغازي-السائل لسائل العمل الداخلي لتحقيق انتقال كبير لتدفق الحرارة.تم اقتراحه لأول مرة من قبل الباحث الياباني أكاتشي في التسعينيات.

إن آلية عمل أنبوب الحرارة النابض هي بشكل أساسي استخدام سدادة بخار-سائل تكونت بواسطة سائل العمل في الأنبوب.يتغير الضغط الداخلي بسبب تغير الطور في إدخال الحرارة ، والذي بدوره يتسبب في تأرجح وسيط العمل في الأنبوب بشكل غير منتظم لتحقيق نقل الحرارة.يصف الشكل 3 مبدأ عمل أنبوب الحرارة النابض ذي الحلقة المغلقة بالتفصيل.يتم ثني أنبوب الحرارة النابض بواسطة شعري لتشكيل هيكل حلقة سربنتين.وفقًا لحدود حرارية مختلفة ، يتم تقسيمها إلى ثلاثة أجزاء: نهاية التبخر ونهاية التكثيف ونهاية ثابتة الحرارة.أنبوب الحرارة النابض ، الذي يكون في حالة فراغ بالداخل ، مملوء بسائل عامل من خلال منفذ ملء السائل.وفقًا لمبدأ الشعيرات الدموية ، يتم موازنة الاحتكاك والتوتر السطحي لوسط العمل السائل والجدار مع جاذبيته.لذلك ، يتم توزيع سدادات البخار السائل على مراحل داخل خط الأنابيب.مع إدخال الحرارة من طرف التبخير لأنبوب الحرارة النابض ، يمتص وسيط العمل في الأنبوب الحرارة ويتبخر لتكوين فقاعات ، والتي تنمو تدريجياً لتشكل سدادة بخار تحت تأثير الضغط الداخلي.عندما يزداد ضغط سدادة البخار ويصل إلى قيمة معينة ، يمكنه التغلب على الجاذبية ومقاومة الاحتكاك لسدادة السائل ودفع سدادة السائل المجاورة للانتقال إلى نهاية التكثيف ، وبالتالي تحقيق انتقال الحرارة.عندما يصل سدادة سائل البخار إلى نهاية التكثيف ، يتكثف قابس البخار ويطلق كمية كبيرة من الحرارة الكامنة.في الوقت نفسه ، يتم أيضًا تقليل درجة حرارة وسيط عمل المكونات السائلة بسبب إطلاق الحرارة.أخيرًا ، يدرك مائع العمل تدفق الدوران النابض تحت تأثير القوة الدافعة الحرارية والتوتر السطحي ومقاومة الشعيرات الدموية والجاذبية.

في الوقت الحاضر ، أجرت معظم المؤسسات البحثية المزيد من التجارب والمحاكاة على سوائل العمل مثل الماء والميثانول والإيثانول والأسيتون وغليان سوائل العمل غير القابلة للامتزاج.بشكل عام ، تحتوي الكحوليات على نقاط غليان منخفضة نسبيًا ، وحرارة تبخر كامنة عالية نسبيًا ، ونسب تدرجات ضغط التشبع إلى درجات الحرارة.إنه يعمل مع ميزة البدء السريع لـ PHP.في ظل ظروف طاقة التسخين العالية ، يمكن أن يبدأ PHP مع الخليط بسرعة ويحقق دورة نبض أحادية الاتجاه مستقرة.الموائع النانوية لها خصائص فيزيائية ممتازة.من الأهمية بمكان التغلب على عودة الشعيرات الدموية وتعزيز دوران السوائل والتذبذب.

يكون تكوين مكدس PEMFC المبرد بواسطة PHP كما يلي.هناك 5 خلايا بطارية و PHP في المكدس.يتم وضع كل خلية بطارية بين أنبوبين حراريين نابضين (يتم تمثيل الخلايا الفردية بواسطة C1-C5) ، كما هو موضح في الشكل 4. تتكون خلية بطارية كاملة من لوحة تدفق الأنود (AFP) ولوحة تدفق الكاثود (CFP) و a تجميع القطب الكهربائي الغشائي (MEA).تشمل MEA الغشاء وطبقة محفز الأنود (ACL) وطبقة انتشار غاز الأنود (AGDL) وطبقة محفز الكاثود (CCL) وطبقة انتشار غاز الكاثود (CGDL).إنها واحدة من مجموعات قابلة للتطبيق من PEMFC و FPHP.

باختصار ، تتميز PHP بمزايا الحجم الصغير والوزن الخفيف والتوصيل الحراري الفعال الجيد والتدرج الحراري المنخفض.من خلال تجنب عيوب درجات الحرارة المحلية ، يسمح استخدام PHP بتوزيع أكثر اتساقًا لدرجة الحرارة في PEMFC ويحسن أدائها في النهاية.ال أنابيب الحرارة النابضة تحتوي على موائع نانوية قيمة محتملة كجهاز جديد لتبديد الحرارة لتحسين الإدارة الحرارية من PEM-FC.