Schéma de refroidissement pour la gestion thermique de la pile à combustible à membrane d'échange de protons (PEMFC)

Piles à combustible à membrane d'échange de protons (PEMFC) Bénération d'avantages tels que une efficacité élevée, une propreté et des émissions zéro, ce qui les rend prometteurs pour une application généralisée. Dans les applications pratiques, 40% à 60% de l'énergie chimique du carburant est convertie en énergie électrique, tandis que l'énergie restante est principalement convertie en énergie thermique. Si la chaleur ne peut pas être rapidement dissipée de la cellule, la température du système continuera d'augmenter, conduisant à une surchauffe localisée de cellules individuelles ou de zones spécifiques à l'intérieur de la cellule, ce qui a un impact sur le fonctionnement normal de la pile à combustible.

I. Importance de la gestion thermique

Les principales sources de chaleur dans le processus de fonctionnement des piles à combustible sont le chauffage de la résistance ohmique, la chaleur d'entropie de réaction, la chaleur de réaction électrochimique irréversible, la libération de chaleur de condensation de la vapeur d'eau, la chaleur de l'air comprimé et la chaleur du rayonnement environnemental, ces deux dernières peuvent être ignorées.

Ii Schéma de refroidissement pour les piles à combustible

Les principales voies de dissipation de la chaleur pour les piles à combustible sont triplées: vaporisation de l'eau de l'intérieur de la cellule, refroidissement radiatif de la pile et élimination de la chaleur par les milieux de refroidissement en circulation. Ce dernier est la principale méthode de dissipation thermique des piles à combustible. Pour les PEMFC, les méthodes de refroidissement peuvent être largement classées en deux types: refroidissement monophasé et refroidissement du changement de phase.

1. refroidissement monophasé

La méthode de refroidissement monophasée consiste à utiliser la chaleur sensible du milieu de refroidissement pour enlever la chaleur générée dans le processus de travail de la pile à combustible. Il existe deux types: le refroidissement par air et le refroidissement liquide, qui sont actuellement la technologie de refroidissement la plus utilisée.

(1) refroidissement à l'air

Le refroidissement à l'air est la méthode la plus simple de refroidissement, où l'air passe par des plaques de refroidissement ou des cathodes pour emporter la chaleur des déchets générée par les piles à combustible. La structure du système de refroidissement est également relativement simple. Ce type de dissipation thermique est couramment utilisé dans les systèmes PEMFC à faible puissance (≤ 5KW) qui ont moins de composants, de coûts inférieurs et une efficacité du système plus élevée, comme dans les systèmes d'alimentation de drones et les sources d'énergie portables.

Système de pile à combustible avec refroidissement à l'air

(2) refroidissement liquide

Le refroidissement du liquide est conçu pour séparer le chemin d'écoulement du liquide de refroidissement entre la cathode et les plaques d'anode de la pile à combustible, et s'appuie sur le transfert de chaleur de convection forcée du liquide de refroidissement pour éliminer la chaleur générée pendant le fonctionnement de la pile à combustible.

Le liquide de refroidissement peut être une eau désionisée ou un mélange d'eau et d'éthylène glycol. La capacité thermique spécifique des liquides est supérieure à celle de l'air, ce qui rend le refroidissement des liquides plus efficace en termes de transfert de chaleur et de débit inférieurs par rapport au refroidissement par l'air. En utilisant le refroidissement liquide, la distribution de température dans les piles à combustible devient plus uniforme; Cependant, il implique de nombreux composants et structures complexes, avec une consommation d'énergie significative pour les accessoires utilisés dans la dissipation de chaleur, généralement environ 10% de la puissance de sortie effective. Pour les piles à combustible de haute puissance (plus de 5 kW), telles que celles utilisées dans les véhicules, le refroidissement liquide est la méthode la plus utilisée.

Prenez la pile à combustible du véhicule à titre d'exemple, son système de gestion thermique comprend principalement une pompe de liquide de refroidissement, un échangeur de chaleur, un réservoir d'eau, un ventilateur, un capteur de pression et d'autres composants.

Iii. Refroidissement du changement de phase

Le refroidissement du changement de phase est de refroidir la source de chaleur en utilisant la caractéristique de l'absorption d'une grande quantité de chaleur lorsque l'objet change de phase. Les méthodes de refroidissement du changement de phase couramment utilisées dans les piles à combustible sont le refroidissement par évaporation et la dissipation de chaleur du calotage.

(1) refroidissement par évaporation

Le refroidissement par évaporation des piles à combustible implique le liquide de refroidissement et l'air entrant dans le système du côté cathode ensemble. Le liquide de refroidissement généralement utilisé est de l'eau désionisée. Le liquide de refroidissement peut humidifier l'air, augmentant la teneur en humidité dans la membrane d'échange de protons, améliorant ainsi les performances de la pile à combustible. Dans le même temps, la majeure partie du liquide de refroidissement est transportée dans la zone centrale de la source de chaleur de réaction par l'air et s'évapore, emportant la chaleur générée pendant la réaction. Un système de pile à combustible de refroidissement par évaporation ne nécessite pas d'humidificateur, car l'échange de chaleur de l'évaporation et de la condensation est plus efficace que l'échange de chaleur de convection monophasé, réduisant considérablement la charge sur la pompe à eau de refroidissement et le radiateur.

(2) dissipation de chaleur du calotage

Le refroidissement par le feu de chaleur implique l'intégration du caloduc dans une plaque bipolaire. En l'absence de puissance externe, le caloduc transfère une grande quantité de chaleur sur de longues distances à travers sa zone transversale pour le refroidissement. Le matériau du caloduc est généralement un alliage en cuivre ou en aluminium, garantissant que la température à la source de chaleur reste bien distribuée. La recherche sur l'application de la technologie de refroidissement des calocomiques thermiques dans les applications de piles à combustible en est encore à ses débuts et nécessite un développement ultérieur.

La gestion thermique est cruciale pour les performances des piles à combustible, affectant leur efficacité, leur durée de vie et leur sécurité. Actuellement, la technologie la plus utilisée dans le champ des piles à combustible est le refroidissement monophasé. La technologie de refroidissement du changement de phase, avec son uniformité et sa grande efficacité, est une direction de recherche très prometteuse. Dans le même temps, les stratégies efficaces de contrôle de la gestion thermique sont essentielles pour assurer le bon fonctionnement des piles à combustible. Par exemple, lorsque la température de la pile à combustible augmente et que le système de gestion thermique ne peut pas fournir une dissipation de chaleur suffisante, les stratégies de contrôle sur la plate-forme du système d'alimentation doivent considérer des mesures telles que la limitation de la puissance de sortie de la pile à combustible pour améliorer sa durée de vie, sa sécurité et durabilité. Pour améliorer la capacité de dissipation thermique du système de gestion thermique des piles à combustible, des efforts doivent également être faits pour augmenter la température de fonctionnement de la pile à combustible et améliorer les caractéristiques de température des matériaux de pile à combustible. Par exemple, si la température de fonctionnement de la pile à combustible est augmentée à 95 ℃, la capacité de dissipation thermique du système de gestion thermique peut être améliorée de plus de 50%.