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

Brandstofcellen worden vaak geprezen als de schone energieretentie van de toekomst, in staat om auto's en onderzeeërs aan te drijven met niets anders dan elektriciteit en water als bijproducten. Echter, net als elke machine die stroom opwekt, produceren ze een aanzienlijke hoeveelheid afvalwarmte. Als deze warmte niet efficiënt wordt afgevoerd, kunnen de delicate interne membranen uitdrogen en falen, of kunnen de chemische reacties tot stilstand komen. De uitdaging is dat deze apparaten binnen een zeer nauw temperatuurvenster moeten werken: te warm, en ze gaan kapot; te koud, en ze stoppen met werken. Huidige koelsystemen vertrouwen op pompen die vloeibaar koelmiddel door de stapel duwen, maar deze methode verbruikt een groot deel van de energie die de brandstofcel produceert en vereist complexe, zware machines. Ingenieurs zoeken al lang naar een passief alternatief, een systeem dat warmte verplaatst zonder bewegende delen, gebruikmakend van de natuurlijke fysica van het koken en condenseren van vloeistoffen.

Onderzoekers aan de Changzhou Universiteit in China hebben een specifiek type passief koelapparaat, een platte plaat pulserende warmtebuis (flat-plate pulsating heat pipe), onderzocht om te zien of het de extreme eisen van een brandstofcel aan kan. Dit apparaat is in essentie een verzegelde, platte metalen plaat die een netwerk van kleine, kronkelende kanalen bevat gevuld met een speciale vloeistofmengeling. Wanneer er warmte aan één zijde wordt toegepast, kookt de vloeistof tot damp, waardoor deze zichzelf door de kanalen duwt naar een koeler gedeelte waar het weer condenseert tot een vloeistof en terugstroomt naar beneden. Deze continue cyclus van koken en condenseren werkt als een superefficiënte warmtetransporteur. De cruciale vraag voor de onderzoekers was of dit systeem een "dry-out" event (uitdroging) zou kunnen overleven, een gevaarlijke toestand waarbij de vloeistofaanvoer naar het heetste deel van het apparaat laag wordt of volledig verdwijnt, wat potentieel kan leiden tot een ongecontroleerde temperatuurpiek.

Om dit te beantwoorden, bouwde het team twee versies van het koelapparaat: één die volledig van metaal is gemaakt voor het testen van temperatuur en druk, en een andere met een transparante glazen wand zodat ze de vloeistofbeweging binnenin konden observeren met een hogesnelheidscamera. Ze vulden de kanalen met een mengsel van methanol en water, gekozen omdat de twee vloeistoffen verschillend reageren wanneer ze worden verhit, wat helpt bij het beheren van de stroming. Vervolgens simuleerden ze de warmteafgifte van een brandstofcel door steeds meer vermogen aan de onderkant van het apparaat toe te passen, terwijl ze nauwlettend in de gaten hielden wat er gebeurde naarmate de hitte intensiveerde.

De experimenten toonden een geruststellende veiligheidsmarge aan. Naarmate het vermogen toenam, werkte het apparaat efficiënt en voerde het warmte af met een stabiele temperatuur. Echter, zodra het vermogen een specifieke drempel van 140 watt overschreed, observeerden de onderzoekers het begin van een dry-out conditie. In deze staat kon de vloeistof in de kanalen niet snel genoeg terugkeren naar de hete onderkant om de wanden nat te houden. Het stromingspatroon in de kanalen veranderde drastisch. In plaats van dat de vloeistof bewoog in grote, duidelijke pluggen of dikke films, werd deze dunner, waardoor de kanaalwanden grotendeels aan damp werden blootgesteld. Het visuele bewijs toonde aan dat de vloeistof bij lagere vermogensniveaus robuuste slugs en dikke films vormde die de kanaaloppervlakken bedekten, maar naarmate de hitte steeg naar 160 watt, verdwenen deze kenmerken en bleven er slechts dunne, verspreide druppeltjes en een kanaal over dat gedomineerd werd door damp.

Ondanks dit verlies van vloeistofdekking, leed het apparaat niet aan een catastrofaal falen. Tegen de verwachting in, zoals men zou kunnen denken, schoot de temperatuur niet omhoog in een ongecontroleerde runaway. In plaats daarvan behield het systeem een opmerkelijk niveau van stabiliteit. Zelfs toen de uitdroging ernstig werd, bleef het temperatuurverschil over het verwarmingsvlak klein, waarbij slechts 3,77 graden Celsius werd gemeten tussen de heetste en koelste punten. De variatie in temperatuur over het gehele oppervlak was ook minimaal. Dit geeft aan dat zelfs wanneer de vloeistofaanvoer in het gedrang komt, de resterende vloeistof en de fysica van het systeem voldoende zijn om de vorming van gevaarlijke hotspots die de brandstofcel zouden kunnen beschadigen te voorkomen.

De studie volgde ook de druk binnen het apparaat. Terwijl de hitte toenam en de uitdroging verergerde, steeg de interne druk, maar de structuur van de dunne metalen platen die de kanalen vasthielden bleef intact. De onderzoekers merkten op dat hoewel de druk toenam, het contact tussen de lagen van het apparaat strak genoeg bleef om lekken of structurele schade te voorkomen. De bevindingen suggereren dat dit type koelsysteem beschikt over een ingebouwde veerkracht. Het is niet afhankelijk van een perfecte, ononderbroken vloeistofstroom om veilig te functioneren. In plaats daarvan kan het perioden doorstaan waarin de vloeistofaanvoer ontoereikend is zonder het vermogen te verliezen om de brandstofcel op een uniforme, veilige temperatuur te houden. Deze robuustheid biedt een veelbelovend pad naar eenvoudigere, betrouwbaardere koelsystemen voor de volgende generatie brandstofceltechnologie, waarbij de noodzaak voor zware pompen en complexe leidingen wordt weggenomen terwijl het apparaat koel blijft, zelfs onder stress.