קצף מתכת - שיפור ביצועים של תאי דלק בהתחלה קרה

ממוסחרקצפי מתכתמהווים כיום חלופה פוטנציאלית טובה לרצים קונבנציונליים לתאי דלק בשל מבנה המיקרו הנקבובי שלהם, הנקבוביות הגבוהה וחוזק מכני טוב.
ראשית, נותחו ביצועי הקיטוב של הסוללה בתנאי עבודה רגילים בטמפרטורת החדר. בהתחשב בכך שהקתודה היא האלקטרודה העיקרית המגבילה את ביצועי הסוללה, נתיבי זרימה מקבילים קונבנציונליים משמשים לאנודה של שני התאים הבודדים, ובנתיבי זרימה מקבילים קונבנציונליים משמשים לקתודה עם שדה זרימת קצף ניקל-מתכת חדש, בהתאמה.
כדי לשקף בצורה מובהקת יותר את הבדלי הזרימה והבדלי הביצועים בשני שדות הזרימה, המחקר השתמש בשדה זרימת תאים דק בגודל של 1.5 ס"מ × 20 ס"מ (הגזים כולם זרמו לאורך הצד הארוך), שאיבד מעט את התא המקורי ביצועים, ולכן, ביצועי קיטוב התא לא היו גבוהים. בנוסף, אותו MEA (Nafion-112) שימש עבור שני התאים בבדיקה. בשל העקמומיות הגבוהה יותר של תעלת הזרימה הזעירה בשדה זרימת מתכת הקצף, ירידת הלחץ בשני הקצוות גבוהה יותר בהשוואה לערוץ הזרימה הפשוט והישר בשדה הזרימה הקונבנציונלי, מה שמשפר את אספקת הגז לקתודה, את ההפעלה לחץ, וקצב התגובה האלקטרוכימית, ובמקביל, הוא צריך לצרוך יותר כוח מנוע גז בלחץ במידה מסוימת ומגביר את אובדן השאיבה. צפיפות ההספק המקסימלית גבוהה יותר עבור תאים עםקצף מתכתשדות זרימה, בעוד שבזרמים נמוכים, צפיפות ההספק נמוכה מעט מזו של תאי שדות זרימה קונבנציונליים. בסך הכל, היתרונות של שימוש בשדה זרימת קצף מתכת עדיין משמעותיים. בטווח הארוך, בשל זרימת הגז והמים הנוזלים האחידה יותר בשדה זרימת מתכת הקצף, ניתן להשתמש בשדה זרימה קצר יותר ביישומים מעשיים, או שימוש באספקה ​​צולבת אנכית של קתודה ואנודה (גז האנודה זורם לאורך בצד הארוך של תעלת הזרימה המסורתית, גז קתודה זורם לאורך הצד הקצר של שדה זרימת הקצף), מה שמפחית עוד יותר את אובדן השאיבה הנגרם עקב ירידת לחץ הכניסה והיציאה של הקתודה, ובכך צפוי לממש את השיפור של את ביצועי הסוללה, ואף לשמור על צפיפות הספק דומה או אפילו גבוהה יותר מערוץ הזרימה המסורתי, שניתן להשיג בטווח הארוך. לכן, הוא צפוי לממש את השיפור בביצועי התא תוך שמירה על אובדן השאיבה דומה או אפילו נמוך מזה של ערוץ הזרימה המסורתי.
מצד שני, כדי להתמודד עם החשש של תנאי התחלה מתחת לאפס, אנו משווים באופן מקיף את ביצועי ההתנעה הדינמיים של תאי דלק עם שדה זרימת מתכת קצף ותעלת זרימה מקבילה קונבנציונלית בקתודה במצבי זרם קבוע ומתח קבוע, בהתאמה.
מצד שני, עבור מצב ההתנעה הפופולרי מתחת לאפס, אנו משווים באופן מקיף את ביצועי ההתנעה הדינמיים של תאי דלק עם שדה זרימת מתכת קצף ותעלת זרימה מקבילה קונבנציונלית בקתודה במצבי זרם קבוע ומתח קבוע, בהתאמה.
תחום זרימת מתכת-קצף מציג יתרונות מצוינים, עם ביצועי תאים יציבים במהלך האתחול והפעלה מוצלחת, בעוד להיפך, תא ערוץ הזרימה המקבילית הקונבנציונלית, עם מתח פלט תאים נמוך יותר ולא יציב במהלך הפעולה, משפר את קצב הפקת החום והטמפרטורה קצב עלייה במידה מסוימת, אך בשל פחות ערוצי הזרימה, האפשרות של ציפוי וסתימה עולה באופן ליניארי (בהתאם למספר ערוצי הזרימה), מה שמוביל לכך ביצועי פלט תאים משתנים עם זאת, הסבירות לסתימת קרח עולה באופן ליניארי (בהתאם למספר ערוצי הזרימה), וכתוצאה מכך ביצועי פלט תא משתנים וסבירות מוגברת לכשל בהתנעה.
לסיכום, המבנה הנקבובי המצוין של תא הדלק עםמתכת קצףלשדה הזרימה יתרונות משמעותיים על פני התא עם תעלת זרימה מסורתית של "תעלה-רכס" הן בפעולת טמפרטורת החדר והן בתנאי הפעלה דינמיים מתחת לאפס.
צפיפות ההספק המקסימלית וצפיפות הזרם האולטימטיבית של הסוללה בטמפרטורת החדר מוגדלות בכ-25%;
בתנאי התנעה מתחת לאפס, הביצועים של סוללות עם שדה זרימת מתכת קצף חלקים יותר במהלך ההתנעה, ויכולת ההתנעה העצמית בטמפרטורה נמוכה משתפרת מאוד.
בנוסף, שימוש בטיפולים אופטימליים יותר לחומרי מתכת מוקצף, כגון ציפוי זהב לשיפור המוליכות, טיפולי הידרופוביות ועמידות בפני קורוזיה מתאימים יותר, ושימוש בחומרי קצףעם גדלי נקבוביות אופטימליים יותר, נקבוביות ויחסי דחיסה, צפוי לחזק עוד יותר את הביצועים התפעוליים של תא הדלק ולשפר את העמידות של מחזור ההתחלה הקרה.