Μεταλλικός αφρός - Βελτίωση απόδοσης κυψελών καυσίμου κρύας εκκίνησης

Εμπορευματοποιημένομεταλλικοί αφροίείναι επί του παρόντος μια καλή πιθανή εναλλακτική λύση σε σχέση με τους συμβατικούς δρομείς κυψελών καυσίμου λόγω της πορώδους μικροδομής, του υψηλού πορώδους και της καλής μηχανικής αντοχής τους.
Αρχικά, αναλύθηκε η απόδοση πόλωσης της μπαταρίας υπό κανονικές συνθήκες εργασίας σε θερμοκρασία δωματίου. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η κάθοδος είναι το κύριο ηλεκτρόδιο που περιορίζει την απόδοση της μπαταρίας, χρησιμοποιούνται συμβατικές διαδρομές παράλληλης ροής για την άνοδο και των δύο κυψελών, και συμβατικές διαδρομές παράλληλης ροής χρησιμοποιούνται για την κάθοδο με νέο πεδίο ροής αφρού νικελίου-μετάλλου, αντίστοιχα.
Για να αντικατοπτρίζει πιο ευδιάκριτα τις διαφορές ροής και τις διαφορές απόδοσης στα δύο πεδία ροής, η μελέτη χρησιμοποίησε ένα λεπτό πεδίο ροής κυψέλης με μέγεθος 1,5 cm × 20 cm (τα αέρια έρεαν όλα κατά μήκος της μεγάλης πλευράς), το οποίο έχασε κάπως το αρχικό στοιχείο απόδοση, και ως εκ τούτου, η απόδοση πόλωσης κυψέλης δεν ήταν υψηλή. Επιπλέον, το ίδιο ΜΕΑ (Nafion-112) χρησιμοποιήθηκε και για τα δύο κύτταρα στη δοκιμή. Λόγω της υψηλότερης καμπυλότητας του μικροσκοπικού καναλιού ροής στο πεδίο ροής μετάλλου αφρού, η πτώση πίεσης και στα δύο άκρα είναι υψηλότερη σε σύγκριση με το απλό μακρύ κανάλι ροής στο συμβατικό πεδίο ροής, το οποίο ενισχύει την παροχή αερίου στην κάθοδο, τη λειτουργία πίεση, και τον ρυθμό ηλεκτροχημικής αντίδρασης, και ταυτόχρονα, χρειάζεται να καταναλώνει περισσότερη ισχύ κινητήρα αερίου υπό πίεση σε κάποιο βαθμό και αυξάνει την απώλεια άντλησης. Η μέγιστη πυκνότητα ισχύος είναι μεγαλύτερη για κελιά μεμεταλλικός αφρόςπεδία ροής, ενώ σε χαμηλά ρεύματα, η πυκνότητα ισχύος είναι ελαφρώς χαμηλότερη από αυτή των συμβατικών κυψελών πεδίου ροής. Συνολικά, τα πλεονεκτήματα της χρήσης ενός πεδίου ροής μεταλλικού αφρού εξακολουθούν να είναι σημαντικά. Μακροπρόθεσμα, λόγω της πιο ομοιόμορφης ροής αερίου και υγρού νερού στο πεδίο ροής μετάλλου αφρού, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα μικρότερο πεδίο ροής σε πρακτικές εφαρμογές ή η χρήση κάθετης διασταυρούμενης παροχής καθόδου και ανόδου (αέριο ανόδου ρέει κατά μήκος του μακριά πλευρά του παραδοσιακού καναλιού ροής, το αέριο καθόδου ρέει κατά μήκος της μικρής πλευράς του πεδίου ροής αφρού), το οποίο μειώνει περαιτέρω την απώλεια άντλησης που προκαλείται από την πτώση πίεσης εισόδου και εξόδου της καθόδου, και έτσι αναμένεται να συνειδητοποιήσει τη βελτίωση της απόδοσης της μπαταρίας και ακόμη και να διατηρήσει μια συγκρίσιμη ή και υψηλότερη πυκνότητα ισχύος από το παραδοσιακό κανάλι ροής, η οποία μπορεί να επιτευχθεί μακροπρόθεσμα. Ως εκ τούτου, αναμένεται να πραγματοποιηθεί η βελτίωση της απόδοσης της κυψέλης, διατηρώντας παράλληλα την απώλεια άντλησης συγκρίσιμη ή ακόμη και χαμηλότερη από αυτή του παραδοσιακού καναλιού ροής.
Από την άλλη πλευρά, για να αντιμετωπίσουμε την ανησυχία των συνθηκών εκκίνησης κάτω από το μηδέν, συγκρίνουμε διεξοδικά τη δυναμική απόδοση εκκίνησης των κυψελών καυσίμου με πεδίο ροής μετάλλου αφρού και συμβατικό παράλληλο κανάλι ροής στην κάθοδο υπό συνθήκες σταθερού ρεύματος και σταθερής τάσης, αντίστοιχα.
Από την άλλη πλευρά, για τη δημοφιλή συνθήκη εκκίνησης υπό το μηδέν, συγκρίνουμε διεξοδικά τη δυναμική απόδοση εκκίνησης των κυψελών καυσίμου με πεδίο ροής μετάλλου αφρού και συμβατικό παράλληλο κανάλι ροής στην κάθοδο υπό συνθήκες σταθερού ρεύματος και σταθερής τάσης, αντίστοιχα.
Το πεδίο ροής αφρού-μετάλλου παρουσιάζει εξαιρετικά πλεονεκτήματα, με σταθερή απόδοση κυψέλης κατά την εκκίνηση και επιτυχή εκκίνηση, ενώ αντίθετα, η συμβατική κυψέλη καναλιού παράλληλης ροής, με χαμηλότερη και ασταθή τάση εξόδου κυψέλης κατά τη λειτουργία, βελτιώνει τον ρυθμό παραγωγής θερμότητας και τη θερμοκρασία ρυθμός ανόδου σε κάποιο βαθμό, αλλά λόγω των λιγότερων καναλιών ροής, η πιθανότητα παγοποίησης και απόφραξης αυξάνεται γραμμικά (ανάλογα με τον αριθμό των καναλιών ροής), η οποία οδηγεί στην κυμαινόμενη απόδοση της κυψέλης Ωστόσο, η πιθανότητα απόφραξης του πάγου αυξάνεται γραμμικά (ανάλογα με τον αριθμό των καναλιών ροής), με αποτέλεσμα κυμαινόμενη απόδοση της κυψέλης και αυξημένη πιθανότητα αποτυχίας εκκίνησης.
Συνοπτικά, η εξαιρετική πορώδης δομή της κυψέλης καυσίμου μεαφρώδες μέταλλοΤο πεδίο ροής έχει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με την κυψέλη με ένα παραδοσιακό κανάλι ροής "tranch-ridge" τόσο σε λειτουργία σε θερμοκρασία δωματίου όσο και σε συνθήκες δυναμικής εκκίνησης κάτω από το μηδέν.
Η μέγιστη πυκνότητα ισχύος και η τελική πυκνότητα ρεύματος της μπαταρίας σε θερμοκρασία δωματίου αυξάνονται κατά περίπου 25%.
Σε συνθήκες εκκίνησης κάτω από το μηδέν, η απόδοση των μπαταριών με πεδίο ροής μετάλλου αφρού είναι πιο ομαλή κατά την εκκίνηση και η ικανότητα αυτοεκκίνησης σε χαμηλή θερμοκρασία βελτιώνεται σημαντικά.
Επιπρόσθετα, η χρήση πιο βελτιστοποιημένων επεξεργασιών για αφρώδες μεταλλικά υλικά, όπως η επίστρωση χρυσού για την ενίσχυση της αγωγιμότητας, οι καταλληλότερες επεξεργασίες υδροφοβίας και αντοχής στη διάβρωση και η χρήσηαφρώδη υλικάμε πιο βελτιστοποιημένα μεγέθη πόρων, πορώδες και αναλογίες συμπίεσης, αναμένεται να ενισχύσει περαιτέρω τη λειτουργική απόδοση της κυψέλης καυσίμου και να ενισχύσει την ανθεκτικότητα του κύκλου ψυχρής εκκίνησης.