Аннотация: Водородные топливные элементы, также известные как топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC), широко используются на зарядных станциях электромобилей, автомобилях и других объектах электроэнергетики благодаря их высокой эффективности, нулевым выбросам и загрязнению окружающей среды. Водородные автомобили выделяют при работе в 3-5 раз больше тепла, чем автомобили, работающие на традиционном топливе. В этой статье кратко рассказывается о современных технологиях отвода тепла от водородных топливных элементов.

1-Основные принципы работы водородных топливных элементов

Водородные топливные элементы во время работы выделяют много тепла, из которых около 55% приходится на теплоту электрохимических реакций, 35% - на теплоту необратимых электрохимических реакций, около 10% - на теплоту джоуля и около 5% - на теплоту конденсации и различные тепловые потери. Тепло, вырабатываемое водородными топливными элементами, примерно равно вырабатываемой ими электрической энергии. Если его вовремя не рассеять, температура внутри аккумулятора значительно повысится, что повлияет на срок его службы.

2-Теплоотача от водородных топливных элементов

 По сравнению с автомобилями, работающими на топливе, водородные автомобили обладают более высокой теплоотдачей и более сложными системами. В то же время из-за ограничений рабочей температуры водородного топливного элемента разница температур между водородным топливным элементом и внешним миром невелика, что затрудняет рассеивание тепла системой охлаждения. Рабочая температура водородного топливного элемента оказывает значительное влияние на сопротивление потоку жидкости, активность катализатора, эффективность и стабильность реактора, поэтому требуется эффективная система охлаждения. 

Технология жидкостного охлаждения на данный момент является основной технологией, используемой водородными автомобилями. Она направлена на снижение энергопотребления водяного насоса за счет уменьшения перепада давления в системе, устранение избыточного тепла в водородном топливном элементе с наименьшим энергопотреблением и оптимизацию распределения потока циркулирующей рабочей жидкости по каналу для уменьшения разницы внутренних температур и повышения равномерности распределения температуры в аккумуляторе.

90% тепла, вырабатываемого в водородном топливном элементе, отводится системой охлаждения за счет теплопроводности и конвекции, в то время как 10% тепла отводится во внешнюю среду за счет радиационной теплоотдачи. Традиционные методы теплоотдачи включают воздушное охлаждение, жидкостное охлаждение и теплоотдача с фазовым переходом

3-Теплопередача системы PEMFC

3.1 Теплоотдача колонны (вольтов столб)

После того, как внутри PEMFC образуется тепло, оно будет передаваться между различными компонентами внутри PEMFC и внешней средой. Теплопередача внутри батареи топливных элементов в основном зависит от теплового сопротивления каждого компонента и контактного теплового сопротивления между различными компонентами. Поскольку газодиффузионный слой является “мостиком”, соединяющим основной нагревательный компонент (мембранный электрод) и основной охлаждающий компонент (биполярную пластину), его тепловое сопротивление и величина теплового сопротивления при контакте с другими компонентами оказывают существенное влияние на эффективность теплопередачи внутри PEMFC. Кроме того, контактное тепловое сопротивление между различными компонентами будет оказывать значительное влияние на внутреннюю теплопередачу батареи топливных элементов.

3.2 Теплопередача охлаждающей жидкости

Методы охлаждения топливных элементов включают воздушное охлаждение, жидкостное охлаждение и охлаждение с фазовым переходом.

Факторы, влияющие на теплопередачу охлаждающей жидкости, включают в себя конец трубы PEMFC, саму охлаждающую жидкость и конец радиатора. Охлаждающая жидкость находится в непосредственном контакте с биполярной пластиной в конце пакета PEMFC, поэтому структура канала подачи охлаждающей жидкости оказывает значительное влияние на ее теплопередачу. Кроме того, природа самого теплоносителя также влияет на соответствующий процесс теплопередачи. Учитывая нехватку свободного места, выбор охлаждающей жидкости с большей теплоемкостью может уменьшить размер радиатора и повысить эффективность терморегулирования PEMFC. Поэтому спрос на новые высокоэффективные охлаждающие жидкости становится все более явным.

Периодически мы будем обновлять технологию теплового расчета и облегчения веса и информацию о них, делится с вами, обеспечивать вам материал для справок. Благодарим вас за проявленное внимание к Walmate.