رغوة معدنية - تحسين أداء بدء التشغيل البارد لخلية الوقود

تجاريرغاوي معدنيةتعتبر حاليًا بديلاً محتملًا جيدًا للعوامات التقليدية لخلايا الوقود نظرًا لبنيتها الدقيقة المسامية ومساميتها العالية وميكانيكيتها الجيدةفيقوة حرارية.
أولاً، تم تحليل أداء استقطاب البطارية في ظروف التشغيل العادية عند درجة حرارة الغرفة. ونظرًا لأن الكاثود هو القطب الرئيسي الذي يحد من أداء البطارية، فقد استُخدمت مسارات تدفق متوازية تقليدية لأنود كلتا الخليتين المفردتين، بينما استُخدمت مسارات تدفق متوازية تقليدية للكاثود مع نيكل معدني جديد.رغوةمجال التدفق، على التوالي.
لتعكس بشكل أكثر وضوحًا فروق التدفق واختلافات الأداء في حقلي التدفق، استخدمت الدراسة حقل تدفق خلية نحيف بحجم 1.5 سم × 20 سم (تدفقت جميع الغازات على طول الجانب الطويل)، مما فقد أداء الخلية الأصلي إلى حد ما، وبالتالي، لم يكن أداء استقطاب الخلية مرتفعًا. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام نفس MEA (Nafion-112) لكلا الخليتين في الاختبار. نظرًا للانحناء الأعلى لقناة التدفق الصغيرة في حقل تدفق معدن الرغوة، يكون انخفاض الضغط عند كلا الطرفين أعلى مقارنةً بقناة التدفق المستقيمة الطويلة البسيطة في حقل التدفق التقليدي، مما يعزز إمداد الغاز إلى الكاثود وضغط التشغيل ومعدل التفاعل الكهروكيميائي، وفي الوقت نفسه، يحتاج إلى استهلاك المزيد من طاقة محرك الغاز المضغوط إلى درجة معينة ويزيد من فقدان الضخ. تكون كثافة الطاقة القصوى أعلى للخلايا ذاترغوة معدنيةفي مجالات التدفق، تكون كثافة الطاقة أقل قليلاً من خلايا مجال التدفق التقليدية عند التيارات المنخفضة. بشكل عام، لا تزال مزايا استخدام مجال تدفق الرغوة المعدنية كبيرة. على المدى الطويل، وبفضل التدفق الأكثر انتظامًا للغاز والماء السائل في مجال تدفق الرغوة المعدنية، يمكن استخدام مجال تدفق أقصر في التطبيقات العملية، أو استخدام التغذية المتقاطعة الرأسية بين الكاثود والأنود (يتدفق غاز الأنود على طول الجانب الطويل من قناة التدفق التقليدية، ويتدفق غاز الكاثود على طول الجانب القصير من مجال تدفق الرغوة)، مما يقلل بشكل أكبر من فاقد الضخ الناتج عن انخفاض ضغط مدخل ومخرج الكاثود، وبالتالي يُتوقع تحسين أداء البطارية، بل والحفاظ على كثافة طاقة مماثلة أو أعلى من كثافة قناة التدفق التقليدية. لذلك، يُتوقع تحسين أداء الخلية مع الحفاظ على فاقد ضخ مماثل أو أقل من فاقد قناة التدفق التقليدية.
من ناحية أخرى، لمعالجة مشكلة ظروف البدء تحت الصفر، قمنا بمقارنة شاملة لأداء البدء الديناميكي لخلايا الوقود مع مجال تدفق المعدن الرغوي وقناة التدفق الموازية التقليدية عند الكاثود تحت أوضاع التيار المستمر والجهد الثابت، على التوالي.
من ناحية أخرى، بالنسبة لحالة البدء الشائعة تحت الصفر، قمنا بمقارنة شاملة لأداء البدء الديناميكي لخلايا الوقود مع مجال تدفق المعدن الرغوي وقناة التدفق الموازية التقليدية عند الكاثود تحت أوضاع التيار المستمر والجهد الثابت، على التوالي.
يظهر مجال تدفق الرغوة المعدنية مزايا ممتازة، مع أداء خلية مستقر أثناء بدء التشغيل وبدء التشغيل الناجح، بينما على العكس من ذلك، تعمل خلية قناة التدفق الموازية التقليدية، مع جهد خرج خلية أقل وغير مستقر أثناء التشغيل، على تحسين معدل إنتاج الحرارة ومعدل ارتفاع درجة الحرارة إلى حد ما، ولكن بسبب قلة قنوات التدفق، تزداد إمكانية التجمد والانسداد خطيًا (اعتمادًا على عدد قنوات التدفق)، مما يؤدي إلى أداء خرج الخلية المتقلب ومع ذلك، تزداد احتمالية انسداد الجليد خطيًا (اعتمادًا على عدد قنوات التدفق)، مما يؤدي إلى أداء خرج خلية متقلب وزيادة احتمالية فشل بدء التشغيل.
باختصار، البنية المسامية الممتازة لخلية الوقود معرغوة معدنيةيتمتع مجال التدفق بمزايا كبيرة مقارنة بالخلية ذات قناة التدفق التقليدية "الخندق والتلال" في كل من التشغيل في درجة حرارة الغرفة وظروف بدء التشغيل الديناميكية تحت الصفر.
الحد الأقصى لكثافة الطاقة وكثافة التيار القصوى لـبطاريةفي درجة حرارة الغرفة تزداد بنسبة 25% تقريبًا؛
في ظل ظروف بدء التشغيل تحت الصفر، يكون أداء البطاريات ذات مجال تدفق المعدن الرغوي أكثر سلاسة أثناء بدء التشغيل، كما يتم تحسين قدرة بدء التشغيل الذاتي في درجات الحرارة المنخفضة بشكل كبير.
بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام معالجات أكثر تحسينًا لمواد الرغوة المعدنية، مثل الطلاء بالذهب لتعزيز التوصيل، ومعالجات مقاومة الماء والتآكل الأكثر ملاءمة، واستخداممواد الرغوةومن المتوقع أن يؤدي تحسين أحجام المسام والمسام ونسب الضغط إلى تعزيز الأداء التشغيلي لخلية الوقود بشكل أكبر وزيادة متانة دورة التشغيل البارد.