Dry-out characteristics of flat-plate pulsating heat pipe for proton exchange membrane fuel cell cooling

غالباً ما يُشاد بخلايا الوقود باعتبارها حل الطاقة النظيفة للمستقبل، لقدرتها على تشغيل السيارات والغواصات دون إنتاج سوى الكهرباء والماء كمنتجات ثانوية. ومع ذلك، وكأي آلة تولد الطاقة، فإنها تنتج كمية كبيرة من الحرارة المهدرة. وإذا لم يتم التخلص من هذه الحرارة بكفاءة، يمكن للأغشية الداخلية الدقيقة أن تجف وتتعطل، أو قد تتباطأ التفاعلات الكيميائية حتى تتوقف تماماً. يكمن التحدي في أن هذه الأجهزة يجب أن تعمل ضمن نافذة حرارية ضيقة جداً: إذا ارتفعت الحرارة كثيراً، ستتعطل؛ وإذا انخفضت كثيراً، ستتوقف عن العمل. تعتمد أنظمة التبريد الحالية على مضخات تدفع سائل التبريد عبر المجمع (الstack)، لكن هذه الطريقة تستهلك جزءاً كبيراً من الطاقة التي تنتجها خلية الوقود وتتطلب آلات معقدة وثقيلة. لطالما بحث المهندسون عن بديل سلبي، وهو نظام ينقل الحرارة دون أي أجزاء متحركة، باستخدام الفيزياء الطبيعية لغليان وتكثيف السوائل.

لقد بحث باحثون في جامعة تشانغتشو في الصين في نوع محدد من أجهزة التبريد السلبية يسمى "أنبوب الحرارة النابض ذو اللوح المسطح" لمعرفة ما إذا كان بإمكانه التعامل مع المتطلبات القاسية لخلية الوقود. هذا الجهاز هو في الأساس لوح معدني مسطح ومغلق يحتوي على شبكة من القنوات الصغيرة والمتعرجة المملوءة بمزيج سائل خاص. عندما يتم تطبيق الحرارة على أحد الجانبين، يغلي السائل ويتحول إلى بخار، مما يدفعه عبر القنوات إلى قسم أكثر برودة حيث يتكثف ويعود إلى حالة السائل ثم يتدفق للأسفل مرة أخرى. تعمل هذه الدورة المستمرة من الغليان والتكثيف كناقل فائق الكفاءة للحرارة. وكان السؤال الحاسم للباحثين هو ما إذا كان هذا النظام يمكنه الصمود أمام حدث "الجفاف"، وهي حالة خطيرة حيث ينخفض إمداد السائل إلى الجزء الأكثر سخونة في الجهاز أو يختفي تماماً، مما قد يؤدي إلى ارتفاع مفاجئ وغير منضبط في درجة الحرارة.

للإجابة على ذلك، صنع الفريق نسختين من جهاز التبريد: إحداهما مصنوعة بالكامل من المعدن لاختبار درجة الحرارة والضغط، والأخرى بجدار زجاجي شفاف حتى يتمكنوا من مراقبة حركة السائل في الداخل باستخدام كاميرا عالية السرعة. لقد ملؤوا القنوات بمزيج من الميثانول والماء، الذي تم اختياره لأن السائلين يتصرفان بشكل مختلف عند تسخينهما، مما يساعد في إدارة التدفق. ثم قاموا بمحاكاة مخرجات الحرارة لخلية الوقود عن طريق تطبيق كميات متزايدة من الطاقة على الجزء السفلي من الجهاز، مع مراقبة دقيقة لما يحدث مع اشتداد الحرارة.

كشفت التجارب عن هامش أمان مطمئن. فمع زيادة الطاقة، عمل الجهاز بكفاءة، حيث نقل الحرارة بعيداً بدرجة حرارة ثابتة. ومع ذلك، بمجرد أن تجاوزت الطاقة حداً معيناً قدره 140 واط، لاحظ الباحثون بداية حالة "الجفاف". في هذه الحالة، لم يستطع السائل داخل القنوات العودة إلى الجزء الساخل من الأسفل بسرعة كافية لإبقاء الجدران رطبة. تغير نمط التدفق داخل القنوات بشكل كبير؛ فبدلاً من تحرك السائل في سدادات كبيرة ومتميزة أو أغشية سميكة، أصبح رقيقاً، تاركاً جدران القنوات معرضة للبخار في معظمها. وأظهرت الأدلة المرئية أنه عند مستويات الطاقة المنخفضة، شكل السائل سدادات قوية وأغشية سميكة غطت أسطح القنوات، ولكن مع ارتفاع الحرارة إلى 160 واط، اختفت هذه الميزات، ولم يتبق سوى قطرات رقيقة ومتفرقة وقناة يهيمن عليها البخار.

وعلى الرغم من فقدان تغطية السائل هذه، لم يعانِ الجهاز من فشل كارثي. وخلافاً لما كان متوقعاً، لم ترتفع درجة الحرارة بشكل خارج عن السيطرة. بدلاً من ذلك، حافظ النظام على مستوى ملحوظ من الاستقرار. فحتى عندما أصبح الجفاف شديداً، ظل الفرق في درجات الحرارة عبر سطح التسخين صغيراً، حيث بلغ 3.77 درجة مئوية فقط بين النقطة الأكثر سخونة والأكثر برودة. كما كان التباين في درجات الحرارة عبر السطح بأكمله ضئيلاً أيضاً. يشير هذا إلى أنه حتى عندما يتعرض إمداد السائل للخطر، فإن السائل المتبقي وفيزياء النظام كافيان لمنع تكون بقع ساخنة خطيرة قد تضر بخلية الوقود.

كما تتبعت الدراسة الضغط داخل الجهاز. ومع زيادة الحرارة وتفاقم الجفاف، ارتفع الضغط الداخلي، لكن هيكل الصفائح المعدنية الرقيقة التي تحمل القنوات ظل سليماً. لاحظ الباحثون أنه بينما زاد الضغط، ظل التلامس بين طبقات الجهاز وثيقاً بما يكفي لمنع التسربات أو الأضرار الهيكلية. تشير النتائج إلى أن هذا النوع من أنظمة التبريد يمتلك مرونة ذاتية؛ فهو لا يعتمد على تدفق مثالي ومستمر للسائل ليعمل بأمان، بل يمكنه تحمل فترات يكون فيها إمداد السائل غير كافٍ دون أن يفقد قدرته على الحفاظ على درجة حرارة موحدة وآمنة لخلية الوقود. توفر هذه المتانة مساراً واعداً نحو أنظمة تبريد أبسط وأكثر موثوقية للجيل القادم من تقنية خلايا الوقود، مما يلغي الحاجة إلى مضخات ثقيلة وسباكة معقدة مع ضمان بقاء الجهاز بارداً حتى تحت الضغط.