تطبيق حول الأنابيب الحرارية في الإدارة الحرارية لخلايا الوقود

تعتمد خلية الوقود ذات غشاء التبادل البروتوني (PEMFC) تقنيات إدارة الحرارة مثل تبريد الهواء و التبريد السائل ، والذي يمكنه نقل الحرارة الزائدة بشكل فعال من البطارية. ومع ذلك، هناك حاجة إلى عمل إضافي لدفع تدفق السوائل، مما يقلل بلا شك من الطاقة الإجمالية للبطارية. يمكن لأنبوب الحرارة النابض (PHP)، باعتباره جهازًا جديدًا لتبديد الحرارة، أن يوفر إدارة حرارية فعالة في PEMFC نظرًا لصغر حجمه ونقل الحرارة السريع وعدم وجود دعم عمل إضافي.

تعتبر خلايا الوقود ذات غشاء التبادل البروتوني (PEMFC) من أكثر المرشحين الواعدين للجيل القادم من تطبيقات النقل والتطبيقات الثابتة والمساعدة والمحمولة نظرًا لمزاياها مثل درجة حرارة التشغيل المنخفضة وكثافة الطاقة العالية وبدء التشغيل السريع والقدرة العابرة والانبعاثات المنخفضة. على الرغم من الأبحاث والتقدم المكثف في مجال خلايا الوقود، لا تزال هناك العديد من العقبات التقنية التي تحول دون تسويقها، خاصة من حيث متانتها وتكلفتها. بسبب التفاعلات الكهروكيميائية والمقاومة الكهربائية، يتم توليد كمية كبيرة من الحرارة في مجموعة خلايا الوقود، وهو ما يعادل تقريبًا خرج الطاقة الكهربائية، لذلك يجب إجراء إدارة حرارية فعالة لتجنب ارتفاع درجة حرارة المكونات ولضمان نطاق درجة حرارة التشغيل المناسب لـ PEMFC الحالي (عادةً في 60 ~ 80 درجة مئوية). يمكن أن تؤدي الإدارة الحرارية غير السليمة والتوزيع غير المتساوي لدرجة الحرارة داخل مجموعة خلايا الوقود إلى تجفيف المنحل بالكهرباء (عالميًا أو محليًا) أو فيضان القطب الكهربائي، وكلاهما يؤدي إلى انخفاض أداء خلية الوقود. من ناحية أخرى، فإن فرق 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 عندما يتطلب الأمر إنتاج طاقة عالي وكثافة طاقة عالية. كومة تطبيقات السيارات.

عادةً ما يتم تنفيذ التبريد التجاري PEMFC عن طريق الحمل القسري للهواء أو الماء، ومع ذلك، فإن طريقة تبريد الهواء المعتمدة تستهلك جزءًا كبيرًا من طاقة البطارية وتقلل من النطاق الإجمالي للسيارات الكهربائية. على سبيل المثال، تستخدم شركة تويوتا نظام التبريد بالحمل القسري بواسطة المروحة من أجل الإدارة الحرارية، مستخدمة حوالي 40 بالمائة من طاقة البطارية. في مداخن PEMFC عالية الطاقة، يتم استخدام طريقة التبريد السائل على نطاق واسع بسبب معامل نقل الحرارة العالي، وحتى الآن، تم إنجاز الكثير من العمل من خلال تصميم معلمات مجال تدفق المبرد، وهندسة قنوات التبريد، وتطوير المبردات البديلة وأنظمة التبريد، ويتم تحقيق ذلك مع الحد الأدنى من فقدان الطاقة الإضافية وتوزيع موحد لدرجة الحرارة في جميع أنحاء البطارية. مع تقدم التكنولوجيا، تم تصغير PEMFC تدريجيًا ومركزيته. وفي الوقت نفسه، يمكن تحقيق كثافة طاقة أعلى. ولذلك، فإن طريقة التبريد التقليدية لم تعد قادرة على تلبية الطلب. أصبح تطوير وتصميم طريقة تبريد أكثر كفاءة نقطة بحثية ساخنة في المجال الأكاديمي في الداخل والخارج.

بسبب الموصلية الحرارية العالية وعدم وجود مدخلات طاقة إضافية، يمكن لأنابيب الحرارة نقل كمية كبيرة من الحرارة على مسافة كبيرة حتى مع مساحة مقطع عرضي صغيرة. تسمح الأنابيب الحرارية بنقل الحرارة المتولدة داخل حزمة البطارية إلى البيئة بكفاءة وفي الوقت المناسب، 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 درجة الحرارة بشكل أكثر اتساقًا في PEMFC ويحسن أداءها في النهاية من خلال تجنب مساوئ درجات الحرارة المحلية.

يظهر هيكل PEMFC في الشكل 1، والذي يتكون من صفائح ثنائية القطب وأقطاب كهربائية غشائية. يتم تجميع الصفائح ثنائية القطب على جانبي أقطاب الغشاء لتوفير مواد متفاعلة غازية للتفاعلات الكهروكيميائية. تتكون الأقطاب الكهربائية الغشائية من طبقتين لنشر الغاز، وطبقتين محفزتين، وغشاء تبادل البروتونات.

مبدأ عمل PEMFC هو توصيل الهيدروجين والأكسجين (الهواء) إلى الأنود والكاثود على التوالي. عند القطب الموجب (CL)، يتأكسد الهيدروجين وينقسم إلى بروتونات وإلكترونات. تمر البروتونات عبر PEM إلى الكاثود، بينما يتم توصيل الإلكترونات من الأنود إلى الكاثود من خلال دائرة خارجية. على القطب الكاثود، ينتشر الأكسجين من مجال التدفق إلى القطب من خلال GDL/MPL. حيث تتحد الإلكترونات والبروتونات مع المؤكسد المذاب (الأكسجين) لإنتاج الماء والحرارة. التفاعل الكهروكيميائي الأساسي لخلية الوقود هو كما يلي.

الصيغة مخصصة لتفاعل أكسدة الهيدروجين الذي يحدث في قطب الأنود.

الصيغة هي تفاعل أكسدة الهيدروجين الذي يحدث في القطب الكاثود.

تمثل الصيغة عملية التفاعل بأكملها.

تبلغ كفاءة تحويل الطاقة لخلايا الوقود حوالي 50%. يشير هذا إلى أنه سيتم إطلاق ما يقرب من نصف الطاقة كحرارة أثناء التشغيل. مصادر الحرارة الرئيسية لخلايا الوقود هي حرارة التفاعل الانتروبية (30%)، الحرارة غير العكوسة للتفاعل الكهروكيميائي (60%)، حرارة الجول للمقاومة الأومية (10%) والحرارة الكامنة لتغير طور الماء. يظهر تدفق الطاقة في PEMFC في الشكل 2.

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

في الصيغة، Q هو معدل التسخين. Eth هو الجهد المحايد حراريًا لخلية الوقود، والذي يمثل الجهد الأقصى لخلية واحدة على افتراض أن كفاءة النقل لخلية الوقود تصل إلى 100%. Vcell هو جهد التشغيل. أنا الكثافة الحالية. Acell هي منطقة نشطة لخلية واحدة.

تصنع أنابيب الحرارة التقليدية من أنابيب محكمة الغلق ذات هيكل فتيل. بعد الإخلاء، يتم حقن أنبوب الحرارة بمادة العمل. تحت تأثير إدخال الحرارة عند نهاية التبخر، سيتم تسخين الوسط وتبخيره. ونظرًا لاختلاف الضغط الصغير، يصل البخار إلى طرف التكثيف ويتكثف إلى حالة سائلة عند طرف التكثيف. تعمل القوة الشعرية التي يوفرها الهيكل الأساسي الممتص للسائل على إرجاع السائل المكثف إلى نهاية التبخر لتحقيق التدفق الدائري لسائل العمل. يوفر التدفق المتداول على مرحلتين في أنبوب الحرارة توصيلًا حراريًا جيدًا.

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 نقل كبير لتدفق الحرارة. تم اقتراحه لأول مرة من قبل الباحث الياباني أكاتشي في التسعينيات.

آلية العمل لأنبوب الحرارة النابض هي بشكل أساسي استخدام سدادة البخار السائل التي تشكلها مائع العمل في الأنبوب. يتغير الضغط الداخلي بسبب تغير طور مدخلات الحرارة، والذي بدوره يتسبب في تذبذب وسط العمل في الأنبوب بشكل غير منتظم لتحقيق نقل الحرارة. يصف الشكل 3 مبدأ عمل أنبوب الحرارة النابض ذو الحلقة المغلقة بالتفصيل. يتم ثني أنبوب الحرارة النابض بواسطة أنبوب شعري لتشكيل هيكل حلقة أفعواني. وفقًا للحدود الحرارية المختلفة، يتم تقسيمها إلى ثلاثة أجزاء: نهاية التبخر، ونهاية التكثيف، والنهاية الأديباتية. يتم تعبئة أنبوب الحرارة النابض، الموجود في حالة فراغ بالداخل، بسائل العمل من خلال منفذ تعبئة السائل. وفقًا للمبدأ الشعري، فإن الاحتكاك والتوتر السطحي لوسط العمل السائل والجدار يتوازنان مع جاذبيته. ولذلك، يتم توزيع سدادات البخار السائل على مراحل داخل خط الأنابيب. مع إدخال الحرارة من الطرف المبخر لأنبوب الحرارة النابض، يمتص وسط العمل في الأنبوب الحرارة ويتبخر لتوليد الفقاعات، التي تنمو تدريجيًا لتشكل سدادة بخار تحت تأثير الضغط الداخلي. مع زيادة ضغط سدادة البخار بشكل أكبر والوصول إلى قيمة معينة، يمكنها التغلب على الجاذبية ومقاومة الاحتكاك لسدادة السائل ودفع سدادة السائل المجاورة للانتقال إلى نهاية التكثيف، وبالتالي تحقيق نقل الحرارة. عندما تصل سدادة البخار السائل إلى نهاية التكثيف، تتكثف سدادة البخار وتطلق كمية كبيرة من الحرارة الكامنة. في نفس الوقت، يتم أيضًا تقليل درجة حرارة وسط عمل سدادة السائل بسبب إطلاق الحرارة. أخيرًا، يحقق سائل العمل تدفق الدورة الدموية النابض تحت العمل المشترك للقوة الدافعة الحرارية، التوتر السطحي، المقاومة الشعرية والجاذبية.

في الوقت الحاضر، أجرت معظم المؤسسات البحثية المزيد من التجارب وعمليات المحاكاة على سوائل العمل مثل الماء والميثانول والإيثانول والأسيتون وسوائل العمل غير القابلة للامتزاج. بشكل عام، تتمتع الكحوليات بنقاط غليان منخفضة نسبيًا، وحرارة تبخر كامنة عالية نسبيًا، ونسب تدرجات ضغط التشبع إلى درجات الحرارة. إنه يعمل مع ميزة التشغيل السريع الخاصة بـ PHP. في ظل ظروف طاقة التسخين العالية، يمكن أن يبدأ PHP مع الخليط بسرعة ويحقق دورة نبضية مستقرة أحادية الاتجاه. تتمتع السوائل النانوية بخصائص فيزيائية ممتازة. من الأهمية بمكان التغلب على عودة الشعيرات الدموية وتعزيز دوران السوائل وتذبذبها.

تكوين مكدس PEMFC المبرد بواسطة PHP هو كما يلي. هناك 5 خلايا بطارية وPHP في المكدس. تقع كل خلية بطارية بين اثنين من أنابيب الحرارة النابضة (يتم تمثيل الخلايا الفردية بواسطة C1-C5)، كما هو مبين في الشكل 4. تتكون خلية البطارية الكاملة من لوحة تدفق الأنود (AFP)، ولوحة تدفق الكاثود (CFP) ومجموعة قطب كهربائي غشائي (MEA). تشتمل MEA على الغشاء وطبقة محفز الأنود (ACL) وطبقة انتشار غاز الأنود (AGDL) وطبقة محفز الكاثود (CCL) وطبقة انتشار غاز الكاثود (CGDL). إنها واحدة من المجموعات القابلة للتطبيق من PEMFC وFPHP.

باختصار، تتمتع لغة PHP بمزايا الحجم الصغير والوزن الخفيف والتوصيل الحراري الفعال الجيد والتدرج الحراري المنخفض. من خلال تجنب مساوئ درجات الحرارة المحلية، فإن استخدام PHP يسمح بتوزيع درجة حرارة أكثر اتساقًا في PEMFC ويحسن أداءها في النهاية. ال تتمتع أنابيب الحرارة النابضة التي تحتوي على سوائل نانوية بقيمة محتملة كجهاز جديد لتبديد الحرارة لتحسين الإدارة الحرارية لـ PEM-FC.