燃料電池の熱管理におけるヒートパイプの応用

固体高分子型燃料電池 (PEMFC) は、空冷や冷却などの熱管理技術を採用しています。 液体冷却、バッテリーからの余分な熱を効果的に伝達できます。ただし、流体の流れを促進するには補助的な作業が必要であり、これによりバッテリーの全体的な電力が低下することは間違いありません。新しい熱放散デバイスとしての脈動ヒート パイプ (PHP) は、そのコンパクトさ、高速な熱伝達、および補助的な動作サポートがないため、PEMFC で効果的な熱管理を提供できます。

固体高分子型燃料電池 (PEMFC) は、低い動作温度、高い出力密度、高速起動、過渡能力などの利点により、次世代の輸送、定置、補助、携帯用の用途の最も有望な候補であると考えられています。 、低排出ガス。燃料電池に関する広範な研究と進歩にもかかわらず、その商業化には、特に耐久性とコストの点で依然としていくつかの技術的障害が存在します。電気化学反応と電気抵抗により、燃料電池スタック内で電力出力にほぼ等しい大量の熱が発生するため、コンポーネントの過熱を回避し、良好な動作を保証するには、効果的な熱管理を実行する必要があります。現在のPEMFCの温度範囲（通常60〜80℃）。燃料電池スタック内の不適切な熱管理や不均一な温度分布は、電解質の乾燥 (全体的または局所的) や電極の浸水につながる可能性があり、どちらも燃料電池の性能を低下させます。一方、PEMFC と周囲温度との温度差は内燃エンジンに比べて非常に小さいため、特に高出力と高出力密度が必要な場合、PEMFC バッテリー パックの適切な熱管理は非常に困難です。自動車用アプリケーションをスタックします。

市販の PEMFC の冷却は通常、空気または水の強制対流によって行われますが、採用された空冷方式はバッテリー電力のかなりの部分を消費し、電気自動車の全体的な航続距離を短縮します。たとえば、トヨタは熱管理にファンによる強制対流冷却を採用しており、バッテリーのエネルギーの約 40 パーセントを利用しています。高出力 PEMFC スタックでは、熱伝達係数が高いため液体冷却方式が最も広く使用されており、これまでに、冷媒流れ場のパラメータ、冷却チャネルの形状の設計、代替冷媒の開発、および冷却剤の開発など、多くの作業が行われてきました。冷却システム。これは、追加のエネルギー損失を最小限に抑え、バッテリー全体に均一な温度分布を与えることで実現されます。技術の進歩に伴い、PEMFC は徐々に小型化され、集中化されています。同時に、より高い電力密度を達成することができます。したがって、従来の冷却方法ではもはや需要を満たすことができません。より効率的な冷却方法の開発と設計は、国内外の学術分野で研究のホットスポットとなっています。

熱伝導率が高く、追加の電力入力が不要なため、 ヒートパイプ たとえ小さな断面積であっても、かなりの距離にわたって大量の熱を伝達することができる。ヒートパイプを使用すると、バッテリーパック内で生成された熱を環境に効率的かつタイムリーに伝達したり、燃料電池によって生成された廃熱を利用したりできます。脈動ヒート パイプ (PHP) には、小型、軽量、有効熱伝導率が高く、熱勾配が小さいという利点があります。PHP を使用すると、PEMFC 内の温度分布をより均一にすることができ、局所的な温度の欠点を回避することで最終的にパフォーマンスを向上させることができます。

PEMFCの構造を図1に示します。PEMFCはバイポーラプレートと膜電極で構成されています。バイポーラ プレートは膜電極の両側に組み立てられ、電気化学反応のためのガス状反応物を提供します。膜電極は、2 つのガス拡散層、2 つの触媒層、およびプロトン交換膜で構成されます。

PEMFC の動作原理は、水素と酸素 (空気) がそれぞれアノードとカソードに供給されることです。アノード電極 (CL) では、水素が酸化されてプロトンと電子に分解されます。プロトンは PEM を通過してカソードに到達しますが、電子は外部回路を通ってアノードからカソードに伝導されます。カソード電極では、酸素が流れ場から GDL/MPL を通って電極に拡散します。電子と陽子が溶解した酸化剤（酸素）と結合して水と熱を生成する場所。燃料電池の基本的な電気化学反応は次のとおりです。

この式は、アノード電極で起こる水素酸化反応を表しています。

この式は、カソード電極で起こる水素酸化反応です。

この式は反応プロセス全体を表しています。

燃料電池のエネルギー変換効率は約50％です。これは、動作中にエネルギーのほぼ半分が熱として放出されることを示唆しています。燃料電池の主な熱源は、反応のエントロピー熱 (30%)、電気化学反応の不可逆熱 (60%)、オーム抵抗のジュール熱 (10%)、および水の相変化の潜熱です。PEMFC のエネルギーの流れを図 2 に示します。

燃料電池スタックで発生する熱の量は、動作電圧を熱中性電圧または個々のセルの熱電圧と比較することによって決定できます。この過程は次の式で表される。

式中、Q は昇温速度です。Ethは燃料電池の熱中性電圧であり、燃料電池の伝達効率が100%に達すると仮定した場合の単セルの最大電圧を表す。Vcell は動作電圧です。i は電流密度です。Acell は単一セルのアクティブ領域です。

従来のヒートパイプは、芯構造を備えた密閉チューブで作られています。排気後、ヒートパイプに作動媒体が注入されます。蒸発端での熱入力の作用により、媒体は加熱されて蒸発します。圧力差が小さいため、蒸気は凝縮端に到達し、凝縮端で凝縮して液体になります。吸液コア構造による毛細管力により凝縮流体を蒸発端に戻し、作動流体の循環流を実現します。ヒートパイプ内の二相循環流により、優れた熱伝導率が得られます。

従来のヒートパイプとは異なり、 新型ヒートパイプ脈動ヒート パイプ (略して PHP または OHP) は、内部作動流体の気液相変化に依存して大きな熱流束伝達を実現する高熱伝導率のデバイスです。1990年代に日本人学者の赤地氏によって初めて提案された。

脈動ヒートパイプの動作メカニズムは、主にパイプ内の動作流体によって形成される気液プラグを利用することです。入熱の相変化により内圧が変化し、チューブ内の作動媒体を不規則振動させて熱伝達を実現します。図 3 は、閉ループ脈動ヒート パイプの動作原理を詳細に説明しています。脈動するヒートパイプは毛細管によって曲げられ、蛇行したループ構造を形成します。さまざまな熱境界に従って、蒸発端、凝縮端、断熱端の 3 つの部分に分けられます。脈動ヒートパイプは内部が真空状態となっており、液体注入口から作動流体が注入されます。毛管原理によれば、液体作動媒体と壁の摩擦と表面張力は重力と釣り合います。したがって、気液プラグはパイプライン内で段階的に分布します。脈動ヒートパイプの蒸発端からの入熱により、チューブ内の作動媒体が熱を吸収して蒸発して気泡を生成し、気泡は内圧の作用により徐々に成長して蒸気プラグを形成します。蒸気プラグの圧力がさらに増加し​​て一定の値に達すると、液体プラグの重力と摩擦抵抗に打ち勝ち、隣接する液体プラグを押して凝縮端に移動させ、それによって熱伝達が実現します。気液プラグが凝縮端に達すると、蒸気プラグは凝縮して多量の潜熱を放出します。同時に、液体プラグ作動媒体の温度も放熱により低下します。最終的に作動流体は、熱駆動力、表面張力、毛細管抵抗、重力の共同作用により脈動循環流を実現します。

現在、ほとんどの研究機関は、水、メタノール、エタノール、アセトン、沸騰した非混和性作動流体などの作動流体について、より多くの実験やシミュレーションを実施しています。一般に、アルコールは沸点が比較的低く、蒸発潜熱が比較的高く、温度に対する飽和圧力勾配の比率が高くなります。PHP のクイックスタート機能で動作します。高火力条件下では、混合物を含む PHP は迅速に始動し、安定した一方向の脈動サイクルを実現できます。ナノ流体は優れた物理的特性を持っています。毛細管戻りを克服し、流体の循環と振動を促進することは非常に重要です。

PHPで冷却するPEMFCスタックの構成は以下のとおりです。スタックには 5 つのバッテリー セルと PHP があります。図 4 に示すように、各バッテリー セルは 2 つの脈動ヒート パイプの間に挟まれています (個々のセルは C1 ～ C5 で表されます)。完全なバッテリー セルは、アノード フロー プレート (AFP)、カソード フロー プレート (CFP)、および膜電極接合体（MEA）。MEAには、膜、アノード触媒層（ACL）、アノードガス拡散層（AGDL）、カソード触媒層（CCL）、カソードガス拡散層（CGDL）が含まれます。これは、PEMFC と FPHP の実行可能な組み合わせの 1 つです。

要約すると、PHP には、小型、軽量、良好な有効熱伝導率、および低い熱勾配という利点があります。PHP を使用すると、局所的な温度の欠点を回避することで、PEMFC の温度分布をより均一にすることができ、最終的にパフォーマンスが向上します。の 脈動ヒートパイプ ナノ流体を含むものは、熱放散を改善する新しい放熱デバイスとして潜在的な価値を持っています。 熱管理 PEM-FCの。