Aplicación sobre Heat Pipes en Gestión Térmica de Pilas de Combustible

La celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) adopta tecnologías de gestión del calor como refrigeración por aire y refrigeración líquida, que puede transferir efectivamente el exceso de calor de la batería.Sin embargo, se requiere trabajo auxiliar para impulsar el flujo de fluido, lo que sin duda reduce la potencia total de la batería.El tubo de calor pulsante (PHP), como dispositivo novedoso de disipación de calor, puede proporcionar una gestión térmica eficaz en PEMFC debido a su tamaño compacto, transferencia de calor rápida y ausencia de soporte de trabajo auxiliar.

Las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) se consideran los candidatos más prometedores para el transporte de próxima generación, aplicaciones estacionarias, auxiliares y portátiles debido a sus ventajas, como baja temperatura de funcionamiento, alta densidad de potencia, arranque rápido y capacidad transitoria. y bajas emisiones.A pesar de la extensa investigación y el progreso en las celdas de combustible, aún existen varios obstáculos técnicos para su comercialización, especialmente en términos de durabilidad y costo.Debido a las reacciones electroquímicas y a la resistencia eléctrica, se genera una gran cantidad de calor en el apilamiento de celdas de combustible, que es casi equivalente a la producción de energía eléctrica, por lo que se debe realizar una gestión térmica eficaz para evitar el sobrecalentamiento de los componentes y garantizar el funcionamiento favorable. rango de temperatura de PEMFC actual (típicamente en el 60 ~ 80 ℃).La gestión térmica inadecuada y la distribución desigual de la temperatura dentro de la pila de celdas de combustible pueden provocar el secado del electrolito (global o local) o la inundación de los electrodos, los cuales degradan el rendimiento de la celda de combustible.Por otro lado, la diferencia de temperatura entre PEMFC y la temperatura ambiente es muy pequeña en comparación con los motores de combustión interna, por lo que la gestión térmica adecuada de los paquetes de baterías PEMFC es muy desafiante, especialmente cuando se requiere una alta potencia de salida y alta densidad de potencia.apilar aplicaciones automotrices.

El enfriamiento comercial de PEMFC generalmente se realiza mediante convección forzada de aire o agua; sin embargo, el método de enfriamiento por aire adoptado consume una parte significativa de la energía de la batería y reduce la autonomía general de los vehículos eléctricos.Toyota, por ejemplo, emplea refrigeración por convección forzada por ventilador para la gestión térmica, utilizando alrededor del 40 por ciento de la energía de la batería.En pilas de PEMFC de alta potencia, el método de refrigeración líquida es el más utilizado debido al alto coeficiente de transferencia de calor y, hasta ahora, se ha trabajado mucho diseñando los parámetros del campo de flujo de refrigerante, la geometría del canal de refrigeración, desarrollando refrigerantes alternativos y sistemas de enfriamiento, esto se logra con una pérdida de energía adicional mínima y una distribución uniforme de la temperatura en toda la batería.Con el avance de la tecnología, PEMFC se miniaturiza y centraliza gradualmente.Al mismo tiempo, se pueden lograr mayores densidades de potencia.Por lo tanto, el método de enfriamiento tradicional ya no puede satisfacer la demanda.El desarrollo y el diseño de un método de refrigeración más eficiente se ha convertido en un centro de investigación en el campo académico en el país y en el extranjero.

Debido a la alta conductividad térmica y sin entrada de energía adicional, tubos de calor puede transferir una gran cantidad de calor a una distancia considerable incluso con un área de sección transversal pequeña.Los tubos de calor permiten la transferencia eficiente y oportuna del calor generado dentro del paquete de baterías al medio ambiente, o el uso del calor residual generado por las celdas de combustible.El tubo de calor pulsante (PHP) tiene las ventajas de tamaño pequeño, peso ligero, buena conductividad térmica efectiva y bajo gradiente térmico.El uso de PHP permite una distribución de temperatura más uniforme en el PEMFC y, en última instancia, mejora su rendimiento al evitar las desventajas de las temperaturas locales.

La estructura de PEMFC se muestra en la Figura 1, que consta de placas bipolares y electrodos de membrana.Las placas bipolares se ensamblan en ambos lados de los electrodos de membrana para proporcionar reactivos gaseosos para reacciones electroquímicas.Los electrodos de membrana constan de dos capas de difusión de gas, dos capas catalíticas y una membrana de intercambio de protones.

El principio de funcionamiento de PEMFC es que el hidrógeno y el oxígeno (aire) se envían al ánodo y al cátodo, respectivamente.En el electrodo de ánodo (CL), el hidrógeno se oxida y se divide en protones y electrones.Los protones pasan a través del PEM al cátodo, mientras que los electrones son conducidos desde el ánodo al cátodo a través de un circuito externo.En el electrodo del cátodo, el oxígeno se difunde desde el campo de flujo al electrodo a través del GDL/MPL.Donde los electrones y protones se combinan con oxidante disuelto (oxígeno) para producir agua y calor.La reacción electroquímica básica de una pila de combustible es la siguiente.

La fórmula es para la reacción de oxidación de hidrógeno que ocurre en el electrodo del ánodo.

La fórmula es la reacción de oxidación del hidrógeno que tiene lugar en el electrodo del cátodo.

La fórmula representa todo el proceso de reacción.

La eficiencia de conversión de energía de las celdas de combustible es de alrededor del 50%.Esto sugiere que casi la mitad de la energía se liberará en forma de calor durante el funcionamiento.Las principales fuentes de calor de las pilas de combustible son el calor entrópico de reacción (30 %), el calor irreversible de reacción electroquímica (60 %), el calor Joule de resistencia óhmica (10 %) y el calor latente del cambio de fase del agua.El flujo de energía en PEMFC se muestra en la Figura 2.

La cantidad de calor generado en una pila de celdas de combustible se puede determinar comparando el voltaje operativo con el voltaje térmico neutral o el voltaje térmico de las celdas individuales.Este proceso está representado por la siguiente fórmula.

En la fórmula, Q es la tasa de calentamiento.Eth es el voltaje termoneutro de la celda de combustible, que representa el voltaje máximo de una sola celda bajo el supuesto de que la eficiencia de transmisión de la celda de combustible alcanza el 100%.Vcell es tensión de funcionamiento.i es la densidad de corriente.Una celda es el área activa de una sola celda.

Los tubos de calor tradicionales están hechos de tubos sellados con una estructura de mecha.Después de la evacuación, la tubería de calor se inyecta con medio de trabajo.Bajo la acción de la entrada de calor al final de la evaporación, el medio se calentará y evaporará.Debido a la pequeña diferencia de presión, el vapor llega al extremo de condensación y se condensa en estado líquido en el extremo de condensación.La fuerza capilar proporcionada por la estructura del núcleo absorbente de líquido devuelve el fluido condensado al extremo de evaporación para realizar el flujo circulante del fluido de trabajo.El flujo circulante de dos fases en el tubo de calor le proporciona una buena conductividad térmica.

A diferencia de los tubos de calor tradicionales, como nuevo tipo de tubo de calor, el tubo de calor pulsante (PHP u OHP para abreviar) es un dispositivo de alta conductividad térmica que se basa en el cambio de fase gas-líquido del fluido de trabajo interno para lograr una gran transmisión de flujo de calor.Fue propuesto por primera vez por el erudito japonés Akachi en la década de 1990 Sugerido.

El mecanismo de trabajo de la tubería de calor pulsante es principalmente para utilizar el tapón de vapor-líquido formado por el fluido de trabajo en la tubería.La presión interna cambia debido al cambio de fase de la entrada de calor, que a su vez hace que el medio de trabajo en el tubo oscile irregularmente para realizar la transferencia de calor.La figura 3 describe en detalle el principio de funcionamiento del tubo de calor pulsante de bucle cerrado.El tubo de calor pulsante es doblado por un capilar para formar una estructura de bucle serpentino.De acuerdo con los diferentes límites térmicos, se divide en tres partes: extremo de evaporación, extremo de condensación y extremo adiabático.El tubo de calor pulsante, que se encuentra en un estado de vacío en el interior, se llena con fluido de trabajo a través del puerto de llenado de líquido.De acuerdo con el principio capilar, la fricción y la tensión superficial del medio de trabajo líquido y la pared se equilibran con su gravedad.Por lo tanto, los tapones de vapor-líquido se distribuyen en fases dentro de la tubería.Con la entrada de calor del extremo de evaporación del tubo de calor pulsante, el medio de trabajo en el tubo absorbe calor y se evapora para generar burbujas, que crecen gradualmente para formar un tapón de vapor bajo la acción de la presión interna.A medida que la presión del tapón de vapor aumenta aún más y alcanza un cierto valor, puede vencer la gravedad y la resistencia a la fricción del tapón de líquido y empujar el tapón de líquido adyacente para que se mueva hacia el extremo de condensación, realizando así la transferencia de calor.Cuando el tapón de vapor-líquido alcanza el extremo de condensación, el tapón de vapor se condensa y libera una gran cantidad de calor latente.Al mismo tiempo, la temperatura del medio de trabajo del tapón líquido también se reduce debido a la liberación de calor.Finalmente, el fluido de trabajo realiza el flujo de circulación pulsante bajo la acción conjunta de la fuerza impulsora térmica, la tensión superficial, la resistencia capilar y la gravedad.

En la actualidad, la mayoría de las instituciones de investigación han realizado más experimentos y simulaciones en fluidos de trabajo como agua, metanol, etanol, acetona y fluidos de trabajo inmiscibles en ebullición.En general, los alcoholes tienen puntos de ebullición relativamente bajos, calores latentes de vaporización relativamente altos y relaciones entre los gradientes de presión de saturación y las temperaturas.Funciona con la función de inicio rápido de PHP.En condiciones de alta potencia de calentamiento, el PHP con mezcla puede comenzar rápidamente y lograr un ciclo pulsante unidireccional estable.Los nanofluidos tienen excelentes propiedades físicas.Es de gran importancia para superar el retorno capilar y promover la circulación de fluidos y la oscilación.

La configuración de la pila PEMFC enfriada por PHP es la siguiente.Hay 5 celdas de batería y PHP en la pila.Cada celda de la batería está intercalada entre dos tubos de calor pulsantes (las celdas individuales están representadas por C1-C5), como se muestra en la Figura 4. Una celda de batería completa consta de una placa de flujo de ánodo (AFP), una placa de flujo de cátodo (CFP) y un conjunto de electrodos de membrana (MEA).MEA incluye membrana, capa de catalizador de ánodo (ACL), capa de difusión de gas de ánodo (AGDL), capa de catalizador de cátodo (CCL), capa de difusión de gas de cátodo (CGDL).Es una de las combinaciones viables de PEMFC y FPHP.

En resumen, PHP tiene las ventajas de un tamaño pequeño, peso ligero, buena conductividad térmica efectiva y bajo gradiente térmico.Al evitar las desventajas de las temperaturas locales, el uso de PHP permite una distribución de temperatura más uniforme en PEMFC y, en última instancia, mejora su rendimiento.El tubos de calor pulsantes que contienen nanofluidos tienen un valor potencial como un nuevo dispositivo de disipación de calor para mejorar la gestión térmica del PEM-FC.