양성자 교환 막 연료 전지의 열 관리를위한 냉각 체계 (PEMFC)

양성자 교환 막 연료 전지 (PEMFC) 고효율, 청결성 및 제로 배출과 같은 이점을 자랑하여 광범위한 응용 프로그램을 유망하게 만듭니다. 실제 적용에서는 연료로부터의 화학 에너지의 40% ~ 60%가 전기 에너지로 변환되는 반면, 나머지 에너지는 대부분 열 에너지로 변환됩니다. 열이 세포로부터 즉시 소산 될 수없는 경우, 시스템 온도는 계속 상승하여 셀 내의 개별 세포 또는 특정 영역의 국소 과열로 이어지고 연료 전지의 정상적인 작동에 심각하게 영향을 미칩니다.

I. 열 관리의 중요성

연료 전지 작동 과정의 주요 열원은 OHMIC 저항 가열, 반응 엔트로피 열, 돌이킬 수없는 전기 화학 반응 열, 수증기 응축 열 방출, 압축 공기 열 및 환경 방사선, 후자는 무시할 수 있습니다.

II. 연료 전지의 냉각 체계

연료 전지의 주요 열 소산 경로는 3 배입니다. 세포 내에서의 수증기, 스택의 복사 냉각 및 순환 냉각 매체에 의한 열 제거. 후자는 연료 전지에 대한 열 소산의 주요 방법이다. PEMFC의 경우 냉각 방법은 단일 상 냉각과 위상 변화 냉각의 두 가지 유형으로 광범위하게 분류 될 수 있습니다.

1. 단상 냉각

단일 위상 냉각 방법은 냉각 매체의 현명한 열을 사용하여 연료 전지의 작업 공정에서 생성 된 열을 제거하는 것입니다. 공기 냉각과 액체 냉각은 현재 가장 널리 사용되는 냉각 기술입니다.

(1) 공기 냉각

공기 냉각은 가장 간단한 냉각 방법이며, 공기는 냉각 플레이트 나 음극을 통과하여 연료 전지에 의해 생성 된 폐 열을 운반합니다. 냉각 시스템의 구조도 비교적 간단합니다. 이러한 유형의 열 소산은 일반적으로 드론 전원 시스템 및 휴대용 전원 공급원과 같은 구성 요소가 적고, 비용이 적고, 더 높은 시스템 효율을 갖는 저전력 (≤5kW) PEMFC 시스템에서 일반적으로 사용됩니다.

공기 냉각이있는 연료 전지 시스템

(2) 액체 냉각

액체 냉각은 연료 전지의 음극 및 양극 플레이트 사이의 냉각수 흐름 경로를 분리하도록 설계되었으며, 연료 전지의 작동 중에 발생하는 열을 제거하기 위해 냉각수의 강제 대류 열 전달에 의존합니다.

냉각수는 탈 이온수 또는 물의 혼합물 및 에틸렌 글리콜 일 수있다. 액체의 비열 용량은 공기의 비열 용량보다 크기 때문에 액체 냉각은 공기 냉각에 비해 열 전달 및 유량을 낮추는 측면에서 더 효율적입니다. 액체 냉각을 사용하여 연료 전지의 온도 분포가 더 균일 해집니다. 그러나, 여기에는 열 소산에 사용되는 액세서리에 대한 상당한 전력 소비, 일반적으로 효과적인 출력 전력의 약 10%가있는 많은 구성 요소와 복잡한 구조가 포함됩니다. 차량에 사용 된 것과 같은 고출력 (5kW 이상)의 연료 전지의 경우 액체 냉각이 가장 일반적으로 사용되는 방법입니다.

차량 연료 전지를 예로 들어보십시오. 열 관리 시스템에는 주로 냉각수 펌프, 열교환 기, 물 탱크, 팬, 압력 센서 및 기타 구성 요소가 포함됩니다.

III. 위상 변화 냉각

위상 변화 냉각은 물체가 위상이 변할 때 많은 양의 열을 흡수하는 특성을 사용하여 열원을 냉각시키는 것입니다. 연료 전지에서 일반적으로 사용되는 위상 변화 냉각 방법은 증발 냉각 및 열 파이프 열 소산입니다.

(1) 증발 냉각

연료 전지의 증발 냉각은 냉각수와 공기가 음극쪽으로 시스템으로 들어가는 것을 포함합니다. 일반적으로 사용되는 냉각수는 탈 이온수입니다. 냉각수는 공기를 가습하여 양성자 교환 막의 수분 함량을 증가시켜 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 동시에, 대부분의 냉각수는 공기에 의한 반응 열원의 코어 영역으로 전달되고 증발되어 반응 동안 발생하는 열을 운반한다. 증발 냉각 연료 전지 시스템에는 증발 및 응축 열 교환이 단일 상 대류 열 교환보다 효율적이므로 냉각수 펌프 및 라디에이터의 하중을 크게 감소시키기 때문에 가습기가 필요하지 않습니다.

(2) 열 파이프 열 소산

히트 파이프 냉각에는 열 파이프를 양극판에 삽입하는 것이 포함됩니다. 외부 전력이없는 경우, 히트 파이프는 냉각을 위해 단면 영역을 통해 장거리에 많은 양의 열을 전달합니다. 열 파이프의 재료는 일반적으로 구리 또는 알루미늄 합금으로, 열원의 온도가 잘 분산 된 상태로 유지되도록합니다. 연료 전지 응용 분야에서 열 파이프 냉각 기술의 적용에 대한 연구는 여전히 초기 단계에 있으며 추가 개발이 필요합니다.

열 관리는 연료 전지의 성능, 효율성, 수명 및 안전에 영향을 미칩니다. 현재 연료 전지 필드에서 가장 널리 사용되는 기술은 단상 냉각입니다. 균일 성과 고효율을 갖는 위상 변화 냉각 기술은 매우 유망한 연구 방향입니다. 동시에, 효과적인 열 관리 제어 전략은 연료 전지의 적절한 작동을 보장하는 데 중요합니다. 예를 들어, 연료 전지의 온도가 상승하고 열 관리 시스템이 충분한 열 소산을 제공 할 수없는 경우, 전력 시스템 플랫폼의 제어 전략은 연료 전지의 출력 전력을 제한하여 수명, 안전성을 향상시키고 및 내구성. 연료 전지 열 관리 시스템의 열 소산 능력을 향상 시키려면 연료 전지의 작동 온도를 높이고 연료 전지 재료의 온도 특성을 향상시키기위한 노력도 이루어져야합니다. 예를 들어, 연료 전지의 작동 온도가 95 ℃로 증가하면 열 관리 시스템의 열 소산 용량을 50%이상 향상시킬 수 있습니다.