要旨：水素燃料バッテリーは、プロトン交換膜燃料電池(PEMFC)とも呼ばれ、その高効率、ゼロエミッション、ゼロ汚染の利点から、電気自動車の充電ステーション、自動車、その他の発電施設で広く使用されています。水素燃料バッテリー車は運転中に従来の燃料バッテリー車の3 ~ 5倍の熱を排出します。本稿では、現在の水素燃料バッテリーの放熱に関する技術について簡単に紹介します。

1‐水素燃料電池の仕組みです

水素燃料バッテリーは運転中に大量の熱を放出し、電気化学反応熱が約55%、不可逆電気化学反応熱が約35%、ジュール熱が約10%、凝縮熱と各種の熱損失が約5%を占めます。水素燃料バッテリーは電気エネルギーと同じ熱量を生み出します早く散逸しないと、バッテリー内部の温度が著しく上昇し、寿命に影響が出ます。

2-水素燃料バッテリーから放熱する

水素燃料バッテリー車は、燃料自動車に比べて発熱量が高く、システムが複雑です。また、水素燃料バッテリーは動作温度の制約のため、外部との温度差が小さく、放熱システムからの放熱がより困難になります。水素燃料バッテリーの動作温度は流体流動抵抗、触媒活性、炉効率、安定性に大きな影響を与えるため、効率的な放熱システムが求められます。

液冷技術は現在、水素燃料バッテリーの自動車への応用の主流技術です。システムの電圧降下を低減することでポンプの電力消費を低減し、水素燃料バッテリーにおける余分な熱を最小限の電力消費で抑え、循環作動流体流路の分布を最適化することで内部温度差を低減し、バッテリー温度分布の均一性を高めることを目指しています。 

水素燃料バッテリーで発生する熱の90%は熱伝導と対流によって放熱系によって取り除かれ、10%は放熱によって外部環境に分散されます。従来の放熱には、空気冷却、液体冷却、相転移冷却などがあります。

3-PEMFCシステムの熱伝導

3.1バッテリーヒープ放熱

PEMFC内部で熱が発生すると、PEMFC内部のさまざまな部品や外部環境の間を熱が伝わります。燃料バッテリーヒープ内部の熱伝達は、主に各部品の熱抵抗と異なる部品間の接触熱抵抗に依存します。ガス拡散層は主要な発熱部品(膜電極)と主要な放熱部品(双極板)をつなぐ「架け橋」であるため、その熱抵抗と他の部品との接触熱抵抗の大きさがPEMFC内部の伝熱性能に大きな影響を与えます。さらに、異なる部品間の接触熱抵抗は燃料電池ヒープ内部の熱伝達に大きな影響を与えます。

3.2 クーラント熱伝導

燃料バッテリーの冷却には、空気冷却、液体冷却、相転移冷却などがあります。

冷却材の熱伝達に影響を与える要因には、PEMFCヒープ端、冷却材自体、放熱器端などがあります。冷却材はPEMFC炉端部のバイノーラルプレートと直接接触しているため、冷却材流路構造が伝熱に大きな影響を与えます。また、冷却剤の性質も熱伝達プロセスに影響を与えます。使用可能なスペースの不足を考慮し,より熱容量の大きい冷却材を選ぶことで放熱器を小型化し,PEMFCの熱管理性能を向上させることができます。そのため、新しい高効率冷却剤の需要がますます高まっている。

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