종이 개요:양성자 교환막 연료전지(PEMFC)라고도 알려진 수소 연료전지는 고효율, 배출가스 제로, 오염 제로라는 장점으로 인해 전기자동차 충전소, 자동차 및 기타 발전 시설에 널리 사용됩니다.수소연료전지차는 운행 중 기존 연료전지차에 비해 3~5배 더 많은 열을 방출한다.본 글에서는 수소연료전지의 방열 관련 최신 기술을 간략하게 소개한다.

1-수소 연료전지의 작동 원리

수소 연료전지는 작동 중에 많은 열을 방출하며, 그 중 전기화학 반응 열이 약 55%, 비가역 전기화학 반응 열이 약 35%, 쥴 열이 약 10%, 응축 열 및 기타 다양한 열 손실이 약 5%를 차지합니다.수소 연료전지가 생성하는 열량은 그들이 생성하는 전기 에너지와 거의 같습니다.시간 내에 방전되지 않으면 배터리 내부 온도가 크게 상승하여 수명에 영향을 미칩니다.

PEM 반응 원리

2-수소 연료 전지 냉각

연료 구동 자동차에 비해 수소 연료 전지 자동차는 더 높은 발열량과 더 복잡한 시스템을 가지고 있습니다.동시에 수소 연료 전지의 작동 온도 제한으로 인해 수소 연료 전지와 외부의 온도 차이가 적어 냉각 시스템의 열 방출이 더욱 어렵습니다.수소 연료 전지의 작동 온도는 유체 흐름 저항, 촉매 활성, 스택 효율 및 안정성에 큰 영향을 미치므로 효율적인 냉각 시스템이 필요합니다.

액체 냉각 기술은 현재 수소 연료 전지가 자동차에 적용되는 주요 기술입니다.시스템 압력 강하를 줄여서 워터 펌프의 전력 소비를 낮추고, 최소한의 전력 소비로 수소 연료 전지에서 과도한 열을 제거하며, 순환 작동 유체의 흐름 분포를 최적화하여 내부 온도 차이를 줄이고 연료 전지의 온도 분포 균일성을 향상시키는 것을 목표로 합니다.

수소 연료 전지에서 발생하는 열의 90%는 열전도와 대류를 통해 냉각 시스템에 의해 제거되며, 나머지 10%의 열은 복사를 통해 외부 환경으로 분산됩니다.전통적인 냉각 방식에는 공기 냉각, 액체 냉각, 그리고 상변화 냉각이 포함됩니다.

3-PEMFC 시스템의 열전달

3.1배터리 스택 냉각

PEMFC 내부에서 발생한 열은 PEMFC 내부의 다양한 구성 요소와 외부 환경 간에 전달됩니다. 연료 전지 스택 내부의 열 전달은 각 부품의 열 저항과 부품 간의 접촉 열 저항에 주로 의존합니다. 기체 확산층은 주요 발열 부품(막 전극)과 주요 열 방출 부품(양극판)을 연결하는 "다리" 역할을 하기 때문에, 이 열 저항과 다른 부품과의 접촉 열 저항의 크기는 PEMFC 내부의 열 전달 성능에 중요한 영향을 미칩니다.또한, 서로 다른 부품 간의 접촉 열 저항은 연료 전지 스택의 내부 열 전달에 중대한 영향을 미칩니다.

3.2냉각수 열전달

연료 전지의 냉각 방법에는 공기 냉각, 액체 냉각, 상변화 냉각이 포함됩니다. 

냉각제의 열 전달에 영향을 미치는 요소로는 PEMFC 스택의 끝단, 냉각제 자체, 및 열 교환기가 있습니다. 냉각제는 PEMFC 스택 끝단의 양극판과 직접 접촉하기 때문에 냉각제 흐름 경로의 구조가 열 전달에 중요한 영향을 미칩니다. 또한, 냉각제 자체의 특성도 관련 열 전달 과정에 영향을 미칩니다.사용 가능한 공간이 부족하다는 점을 고려할 때, 열용량이 더 큰 냉각제를 선택하면 열 교환기의 크기를 줄이고 PEMFC의 열 관리 성능을 향상시킬 수 있습니다. 따라서 새로운 고효율 냉각제에 대한 수요가 점점 더 뚜렷해지고 있습니다.

열 설계 및 경량화에 대한 기술과 정보를 정기적으로 업데이트하고 참고할 수 있도록 공유하겠습니다. Walmate에 관심을 가져주셔서 감사합니다.