تصميمات مبادلات مبتكرة لشبكة هيدروجين للوقود

أولا - الدور الحاسم للإدارة الحرارية في خلايا الوقود الهيدروجينية

وتحوّل خلايا وقود الهيدروجين الطاقة الكيميائية مباشرة إلى الطاقة الكهربائية من خلال تفاعل الكهروكيميائي بين الهيدروجين والأكسجين، حيث إن الماء والحرارة هما المنتجان الفرعيان الوحيدان، حيث تتسارع هذه النظم في الانتقال، وتوليد الطاقة الثابتة، والتطبيقات الصناعية، وتتوقف كفاءة وطول أكوام خلايا الوقود على إدارة حرارية دقيقة، وتُعد مبادلات الحرارة أفقية غير متجانسة في هذه العملية، وتكون مسؤولة عن إزالة الازة الحرارة القصوى

والتحدي متعدد المستويات: خلايا الوقود تولد حرارة غير متجانسة عبر كومة الوقود، وتتطلب مبادلات حرارية قادرة على معالجة الحمولات العالية التي تُنقل إلى مناطق ثابتة، وبالإضافة إلى ذلك، فإن الفرق في درجات الحرارة بين مبردات الكوك والهواء المحيطي يتطلب وجود أسطح كبيرة لنقل الحرارة، وكثيراً ما تتقلص المواد المبردة وصممات النسيج من حيث الوزن والحجم ومقاومة القطع.

لماذا مبادلات الحرارة غير قابلة للاستغناء عن أداء خلية الوقود

العراوات الحرارية وصحة الميمبران

فعملية الكيمبراني في خلية الوقود في بي إم تعمل على أفضل وجه في إطار نافذة ضيقة الحرارة، وإذا تطورت البقع الساخنة - وغالباً ما تقترب من مركز الخلية حيث تكون معدلات التفاعل أعلى - يمكن أن تتحلل من الجفاف، وتزيد المقاومة الأيونية وتتسارع التدهور الكيميائي، ويجب على مبادلات الحرارة أن تستخرج بسرعة كافية للحفاظ على تفاوت درجات الحرارة في الخلية دون درجة حرارة ٢-٣ درجة مئوية.

تكامل إدارة المياه

كما أن مبادلات الحرارة تتفاعل مباشرة مع إدارة المياه، وفي العديد من نظم خلايا الوقود، تستخدم حلقة التبريد لتكسير بخار الماء من العادم المكشوف للترطيب أو الاستعادة، ويمكن أن تؤدي تصميمات مبادلات الحرارة التي تدمج أسطح التكثيف أو تدمج هياكل التكتل إلى تحسين استعادة المياه دون إضافة عناصر منفصلة، وهذه الوظيفة المزدوجة إلى الحد من تعقيد النظام والخسائر الطفيلية.

كفاءة النظام والقروض الموازية

وكل وعاء من الطاقة يستخدم لضخ المبردات أو دفع المعجبين يقلل من الناتج الصافي لخلية الوقود، إذ أن تصميمات مبادلات الحرارة المتقدمة مع انخفاض الضغط وارتفاع السلوك الحراري تقلل من حجم واستهلاك الطاقة من المكونات الإضافية، مثلاً، يمكن أن يؤدي معامل تبادل حراري مدمج مع انخفاض ضغط الهواء بنسبة 30 في المائة إلى خفض طاقة المراوحة بنسب مئوية مماثلة، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة النظام بصورة مباشرة.

تصميمات مبادلات مبتكرة لأجهزة تبادل مياه الهيدروجين

أجهزة تبادل أجهزة التحكم بالهوت الدقيقة

Inchannel heat exchangers use arrays of small-diameter channels -often 0.5-2 mm in hydraulic diameter - to achieve extremely high heat transfer coefficients. The laminar flow regime inside these channels allows for precise temperature control, while the large surface-area-to-volume ratio reduces overall size of the heat exchanger by 40–60% compared to conventional tube-and-finFribuur.

كما ركزت البحوث على تحقيق الاستخدام الأمثل للأجهزة الكهربائية والشبكية والثلاثية والجنائية - التوازن بين تعزيز نقل الحرارة مع انخفاض الضغط، وتستخدم نماذج السوائل الحاسوبية للتنبؤ بالأداء الحراري وتحديد التعديلات الجيولوجية المعالمية التي تعزز التدفقات الثانوية والخلط، وتزيد أعداد النسل بنسبة تصل إلى 30 في المائة على القنوات السهلة.

مواد ركابية - إنيدز وكربون - باسيد

وقد اجتذبت غرافين، مع ما بلغته من قدرة على تصريف حراري تبلغ نحو 000 5 و/م/ك، اهتماماً شديداً بتطبيقات مبادلات الحرارة، إذ إن تطويع أسطح الألمنيوم أو النحاس التقليدية التي بها طبقات من الغرافينيين يمكن أن يؤدي إلى تحسين حرارة النقل مع الحد من قابلية التآكل، وقد أثبت الباحثون في جامعة مانشيستر () أن هناك متغيرات الحرارية

وفيما عدا المعاطف، يجري تطوير مركبات الغرافينيين - المميتة حيث تفرق رقائق الجاين في مصفوفة معدنية (مثل الألمنيوم أو النحاس) لخلق مواد ذات سمة كبيرة مع تعزيز القدرة على السير الحراري والحد من الكثافة، وهذه المركبات جذابة بشكل خاص بالنسبة للتطبيقات الحساسة من حيث الوزن مثل المركبات الكهربائية الخلوية الوقودية، غير أن قابلية التصنيع للتنبؤ تظل تحديا.

الصناعة التحويلية والمجمعة

(أ) إن التركيب الإضافة (الطباعة 3D) قد فتحت محركات التدفئة من المستحيل إنتاجها باستخدام الذكاء التقليدي أو التفريغ.() وتُحدث هياكل التذاكر، التي تُعدّ ثلاثة أضعاف أسطحها الدنيا، وممرات التدفق المُفتَتة من الطبوطات تُحدّد أقصى قدر من النقل الحراري مع التقليل إلى أدنى حد من استخدام المواد.() وقد استحدثت شركات مثل [[ت تصميمات مُصَغَة]

كما أن التصنيع الإضافي يتيح إدماج مهام متعددة في جزء واحد، فعلى سبيل المثال، يمكن لمبادلات الحرارة أن تضم رؤساء متصاعدين، ومجلات مبردة، وتعزيزات هيكلية بدون المزيد من اللحام أو السباكات، مما يقلل تعقيدات التجمع ومسارات التسرب المحتملة، وقد أدت القدرة على إعداد خرائط جغرافية نموذجية سريعة إلى تسريع دورة تطوير عناصر الإدارة الحرارية لخلية الوقود، مما يسمح للمهندسين بالاختبار والتصميمات.

الاتحادات المالية والمفتوحة

أما مبادلات الحرارة التي تُجرى في أواخر الزعانف فتتألف من طبقات متناوبة من لوحات مسطحة وزهور مائلة، ويمكن أن تُرفع الأنابيب أو تُرفع من أجل تعزيز الاضطراب وتعزيز نقل الحرارة، أما بالنسبة لتطبيقات خلايا الوقود، فإن تصميمات أرقام اللوحات توفر درجة عالية من الارتداد (حتى 1000 متر مربع/م3) والقدرة على معالجة مسارات متعددة من الوقود المحتوي على مركب واحد.

وتشمل التطورات الأخيرة هياكل زعنفة غير متماثلة حيث تُحدَّد أقصى درجات الفرن والطول بشكل منفصل بالنسبة للجوانب الساخنة والباردة، ولأن الجانب المبرد عادة ما يكون لديه معامل نقل حراري أعلى، يمكن أن يُصبح الصمامات الهوائية أكثر طولاً وأكثر حزماً للتعويض، وهذا النهج يقلل الحجم الأساسي الإجمالي بنسبة 15-20 في المائة مقارنة بتصميمات الزعانف الصامترية.

تصميمات التعبئة والتأديب التدريجي

ويستخدم نظام التبريد الحر في مجموعة ناشئة من مبادلات الحرارة آليات التبريد والتثبيت لنقل الحرارة دون مضخات أو مراوح، وفي مبادلات حرارية مجهزة بالأعيرة، يُنتج هيكل مُسخن من السائل إلى المصدر الحر، حيث يُهرّب ويحمل الحرارة إلى منطقة مُثبطة، ويزيل هذا النهج طاقة الضخ الطفيلي المصممة ويمكن أن يُعالج محركات الارتفاعى.

ولا تزال التصميمات التي تتلقى مساعدة من الراتب في مرحلة البحث والإعداد المبكر لخلايا الوقود، ولكنها تتيح إمكانية إدارة حرارية لا تدوم باستمرار دون قطع متحركة، وتشمل التحديات بدء تشغيل ورشة موثوقين في ظل ظروف منخفضة الحرارة وضمان الاستقرار الطويل الأجل في وجود أزمنة مفككة في البرودة.

فوائد تكنولوجيات تبادل الحرارة المتقدمة

زيادة كفاءة النظام من خلال خفض المقاومة الحرارية

وكل درجة من درجة حرارة الخلايا الوقودية يمكن تخفيضها تقلل من مقاومة الأورامية للدماغ وزيادات الفولط الخليوي في كثافة حالية معينة، وقد أدى التبادلات الحرارية المتقدمة ذات المقاومة الحرارية المنخفضة إلى جعل الحزمة تعمل على نحو أقرب إلى نقطة الحرارة القصوى، وقد أظهرت الاختبارات الميدانية لأجهزة تبادل حرارة الميكانيكيات الدقيقة في نظام خلايا الوقود البالغ 100 كيلوواط تحسنا بنسبة 3 في المائة في الكفاءة التقليدية.

مجموعة الاتفاق والحد من الوزن

وفي مركبات خلايا الوقود، كل كيلوغرامات وأمور لتر - يمكن لمبادلات الحرارة الدقيقة والمصنّعة بصورة مضافة أن تقلل من الحجم الأساسي بنسبة 50 في المائة والوزن بنسبة 30 إلى 40 في المائة مقارنة بالتصميمات التقليدية، وهذا يحرر حيزا لتخزين الهيدروجين أو الكترونيات أو حجم الكابينات، وعلى سبيل المثال، فإن جهاز التحكم في المركبات باستخدام أجهزة الصرافة ()

تعزيز القابلية للاستمرار والرد على التصويب

ولا تحتوي مبردات خلايا الوقود عادة على مياه مستهلكة مع مواد مضافة للحفاظ على السلوكيات وحامض السلفونيك الفيزيائي. فخلال الوقت، يمكن للتآكل في التآكل في الغلاف الجوي والهجوم الكيميائي أن يخفض من سطح مبادلات حرارة الألومنيوم.

انخفاض الخسائر الموازية

وبتحسين مسارات التدفق والحد من انخفاض الضغط، يقلل مبادلات الحرارة المتقدمة من الطاقة التي تستهلكها المضخات المبردة ومعجبات التبريد، وقد يتطلب نظام خلايا الوقود التقليدية ما بين 2 و5 في المائة من طاقتها الإجمالية للإدارة الحرارية، وباستخدام وحدة صغيرة تعمل بالشبكة ذات الكسور العالية القدرة على إحداث الاحتراق، يمكن أن يخفض هذا التحميل الطفيلي إلى النصف، مما يتيح توفير قدر أكبر من الطاقة للنموذج.

خفض تكاليف التصنيع

ارتفاع حجم المايكرونل

ومن العوائق التي تحول دون اعتماد مبادلات الحرارة الصغيرة على نطاق واسع تكلفة تصنيع هياكل دقيقة للميكروبات، وقد أدت التطورات الأخيرة في المطاحن العالية السرعة، والكيمياء الضوئية، وما إلى ذلك، وزراعة الليزر إلى خفض تكاليف الإنتاج إلى ما بين 10 و20 في المائة من تكاليف المبردات التقليدية، كما أن الشركات مثل Mdine Manufacturing قد وسعت نطاق تطبيقات الإنتاج الجزئية

تصنيع مضاف للزراعة ذات الحجم المنخفض

وفي حين أن التصنيع المضاف أبطأ من الشكل التقليدي للمجلد المرتفع، فإنه يُستفحل من التطبيقات ذات الأداء المنخفض، والارتفاع في الأداء مثل نظم خلايا الوقود للسفن البحرية أو الفضائية الجوية أو الطاقة الثابتة، ومن المتوقع أن تسقط القدرة على توحيد أجزاء متعددة في واحدة من تكاليف التجمع ومخاطر التسرب، ونظراً إلى انخفاض تكاليف المسحوق المعدني وزيادة السرعة، فإن تكلفة الوحدات المضافة للأجهزة الحرارية في السنة الواحدة يتوقع أن تهبط بنسبة 50 في المائة.

التوقعات المستقبلية: الإدارة الحرارية المقبلة للتنقيب عن المناخ

خلايا الوقود ومواد جديدة ذات درجة عالية من الارتحال

وتشغل خلايا وقود أكسيد الفول السوداني الصلبة عند درجة حرارة تتراوح بين 700 و000 1 درجة مئوية، وتحتاج إلى مبادلات حرارية قادرة على تحمل درجات حرارة شديدة والتدوير الحراري، وتتمكن مبادلات الحرارة القائمة على السيرامي التي تنتج عن كاربيد السيليكون أو أكسيد الألمنيوم من تطويرها، مما يتيح وجود سمية حرارية عالية وعدم تداول كيميائي، كما أن التصنيع الثابت يتيح إنشاء قنوات حرارية مستحيلة.

نظم الإدارة الحرارية المتكاملة

أما الحدود التالية فهي نظم متكاملة تماما للإدارة الحرارية حيث لم يعد مبادلات الحرارة مكونا قائما بذاته، بل مقترنة بطبقة التبريد الساكنة، والتثبيت، والمشع في وحدة واحدة، ويستكشف الباحثون تصميمات " التخصيب الحراري " التي يتضمن الإطار الهيكلي للمركبات قنوات مبردة وأسطح الرفض الحراري، ويمكن لهذا النهج أن يزيل الحاجة إلى جهاز مبرد ومزيد من الأنابيب التبريدة.

مبادلات قلب ذكية مع أجهزة الاستشعار المدمجة

إن إدراج أجهزة قياس درجة الحرارة والضغط ومستشعرات التدفق مباشرة في نواة مبادلات الحرارة يتيح تحقيق الاستخدام الأمثل للإدارة الحرارية في الوقت الحقيقي، ويمكن لمبادلات الحرارة الذكية أن تعدل معدلات التدفق المبردة، أو حتى أن تغير مسارات التجاوز النشطة استنادا إلى ظروف الحمولة، وهذا أمر له قيمة خاصة بالنسبة لنظم خلايا الوقود التي تمر بسرعة في دورات عمل الشاحنات الثقيلة.

نحو رفض حركة نزيف

ويجري أيضا استكشاف تصميمات مبتكرة لأجهزة تبادل الحرارة من أجل تمكين استعادة حرارة النفايات من خلايا الوقود، ويمكن للمولدات الكهربائية الحرارية المدمجة في أسطح مبادلات الحرارة أن تحول جزءا من الحرارة المرفوضة مباشرة إلى الكهرباء، وأن تحسن كفاءة النظام عموما بنسبة ٢-٤ في المائة، وفي حين أن مستويات التركيزات التجارية لا تزال غير فعالة نسبيا، فإن التقدم في المواد الكهربية ذات الهيكل النانوي - مثل نظم التلقيح التجاري والنصف.

ويرتبط تطور تكنولوجيا مبادلات الحرارة ارتباطا وثيقا بالتبني الأوسع لخلايا وقود الهيدروجين كحل للطاقة النظيفة، وكل تحسن تدريجي في الإدارة الحرارية - أي عن طريق مواد جديدة، أو صناعات متقدمة، أو أجهزة تصميم متكاملة للنظام، يقلل من التكلفة، ويحسن الكفاءة، ويزيد الموثوقية، ونظرا لأن الضغوط التنظيمية التي تخفف من كربونات النقل والصناعة، فإن الابتكارات التي تُعرض في إطار تبادل الحرارة في هذه المادة ستؤدي دورا حيويا في جعل خلايا الوقود البديلة للكهرباء الوقود الهيدروجينية تؤدي دوراً سريعاً.