PEM燃料電池冷卻方法研究

PEMFC 陰極上的反應(yīng)是放熱的，熱量釋放取決于電壓，主要包括電化學(xué)反應(yīng)的熵?zé)幔豢赡娣磻?yīng)熱，歐姆電阻熱，以及水蒸氣冷凝產(chǎn)生的熱量,其中熵?zé)岷筒豢赡娣磻?yīng)熱分別占 55% 和 10%，歐姆電阻熱占 5%。

作為電化學(xué)反應(yīng)副產(chǎn)品產(chǎn)生的熱量必須及時(shí)從 PEMFC 中取出，以保持電堆內(nèi)溫度的均勻性。如果不能及時(shí)散熱，電池的溫度就會(huì)升高，這將極大地破壞燃料電池的性能，甚至?xí)?dǎo)致質(zhì)子交換膜的破裂和損壞。

燃料電池功率、方法復(fù)雜性和成本決定了 PEMFC 冷卻方法的選擇。在常用的冷卻方法中，空氣冷卻所適用的燃料電池容量最小，冷卻能力最弱，被動(dòng)冷卻和液體冷卻適合中等容量的燃料電池，而相變冷卻的冷卻能力最強(qiáng)。下面介紹幾種常見的電池制冷方法。

1、空氣冷卻

空氣冷卻僅適用于功率小于 5kW 的燃料電池。空冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，它使用空氣作為冷卻劑來(lái)傳遞熱量，與需要較多輔助設(shè)備的水冷系統(tǒng)不同，沒(méi)有冷卻回路和熱交換器，只需要風(fēng)機(jī)進(jìn)行空氣循環(huán)。空氣冷卻方法使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，減少了 PEMFC 的體積和成本，降低了控制的復(fù)雜性。陰極開放式空冷電堆內(nèi)的空氣既作為冷卻劑，又作為反應(yīng)物，在應(yīng)用上更有前景。通常增加單獨(dú)的空氣冷卻劑流道雙極板或額外的空氣冷卻板，以提高冷卻性能。

2、被動(dòng)冷卻

被動(dòng)冷卻是指將散熱器或者熱管等散熱裝置集成到PEMFC 中，從而將熱量傳遞出去。被動(dòng)冷卻系統(tǒng)整體可靠簡(jiǎn)單，可以在電池內(nèi)部沒(méi)有冷卻劑循環(huán)的情況下，進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸散熱。

2.1 散熱器冷卻

散熱器被用作冷卻燃料電池的方法，為了實(shí)現(xiàn)高傳熱率，使用高導(dǎo)熱率的材料至關(guān)重要。在Wen 等進(jìn)行的一項(xiàng)研究中，熱解石墨板被用作散熱器，兩個(gè)小風(fēng)扇用于強(qiáng)制對(duì)流(見圖 2)，研究結(jié)果表明通過(guò)使用散熱器，除減少冷卻系統(tǒng)的質(zhì)量之外，使用上述板材還可以獲得更均勻的溫度分布和更高的體積功率密度。

2.2 熱管冷卻

高溫?zé)峁芡ǔＪ褂靡簯B(tài)堿金屬(鈉、鉀或鈉鉀合金)作為傳熱流體，由于蒸發(fā)-傳輸-冷凝作用，熱管具有極高的導(dǎo)熱系數(shù)，即使截面面積很小，也可以在不增加功率輸入的情況下將熱量輸送到相當(dāng)遠(yuǎn)的距離上。設(shè)計(jì)和制造能夠集成到PEMFC 中的熱管是使用熱管作為熱擴(kuò)散器的一大挑戰(zhàn)。 Jason 等設(shè)計(jì)了由長(zhǎng) 46.80cm，寬 14.70cm，厚 0.3175cm 的銅管制成的幾個(gè)排列在電池之間的脈動(dòng)熱管直接從熱源中移除熱量。Rahimib 等研究了裝配有熱管的金屬氫化物儲(chǔ)罐與 PEMFC 的組合分析，結(jié)果表明使用 4條熱管覆蓋 10 條散熱片，可實(shí)現(xiàn) 2.5×106 Pa 氫氣的解吸過(guò)程的最佳性能。

3、液體冷卻

液體冷卻是指通過(guò)冷卻劑的強(qiáng)制對(duì)流換熱，將 PEMFC 工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量經(jīng)雙極板內(nèi)部的冷卻流道傳出。液體冷卻已成功地廣泛應(yīng)用于 10kW 及更大功率的大型 PEMFC 電堆中，為提高質(zhì)子交換膜燃料電池液體冷卻系統(tǒng)效率，減小系統(tǒng)的尺寸和質(zhì)量，眾多學(xué)者在此方面做了大量工作。

傳統(tǒng)的冷卻劑主要由基礎(chǔ)流體組成，如水、乙二醇和水混合物、油與水混合物等。但傳統(tǒng)冷卻劑因固有熱特性差，極大地限制了其冷卻性能，不能完全滿足現(xiàn)代冷卻系統(tǒng)對(duì)于散熱的要求。在基礎(chǔ)流體中添加納米粒子(CNT、金屬或金屬氧化物)所形成的納米流體，為強(qiáng)化冷卻技術(shù)帶來(lái)了新的機(jī)遇。程亮等驗(yàn)證了納米流體在 PEMFC 冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力，發(fā)現(xiàn)使用平均 0.5%(體積分?jǐn)?shù))的 ZnO 納米流體相比于標(biāo)準(zhǔn)傳熱流體，可以降低散熱所需的散熱器尺寸 10%。

4、相變冷卻

相變冷卻是通過(guò)汽化的焓來(lái)消除燃料電池中的廢熱。與傳統(tǒng)冷卻不同，相變冷卻可以利用冷卻劑的潛熱，具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如降低冷卻劑流速、簡(jiǎn)化系統(tǒng)布局等。

4.1 蒸發(fā)冷卻

蒸發(fā)冷卻是將冷卻劑直接注入陰極流道，并在此蒸發(fā)、冷卻和加濕電池組。PEMFC內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)生水，同時(shí)水能被用于對(duì)反應(yīng)氣體進(jìn)行濕化，故蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)可以將加濕和除水相結(jié)合，在散熱的同時(shí)對(duì)陰極進(jìn)行加濕，而不需要外部加濕器或冷卻板。典型的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)如圖 3所示。

4.2 沸騰兩相冷卻

沸騰兩相冷卻是指冷卻液在達(dá)到沸點(diǎn)的條件下從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，帶走熱源熱量的冷卻方式。因其高效的冷卻能力，被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)芯片、激光二極管和其他電子設(shè)備和元件。這種方法也可以應(yīng)用于 PEMFC 的冷卻，Yan等結(jié)合相變冷卻的數(shù)值模型，將相變冷卻與傳統(tǒng)方法(即風(fēng)冷和水冷)進(jìn)行全面的比較，發(fā)現(xiàn)相變冷卻的溫度均勻性更好，大大提高了熱管理性能。

4.3 相變材料冷卻

相變傳熱是指相變材料發(fā)生相變時(shí)存儲(chǔ)和釋放潛熱，從而在相變過(guò)程中進(jìn)行熱傳遞。相變冷卻技術(shù)緩解了能源供應(yīng)雙方的時(shí)間、強(qiáng)度和地點(diǎn)之間的不匹配，在未來(lái)燃料電池?zé)峁芾碇芯哂袕V闊的發(fā)展前景。石蠟，脂肪酸和多元醇等成本低，工作溫度范圍廣，是一種常用的低溫相變材料，被廣泛應(yīng)用在工作溫度為 60~80 ℃的 PEMFC 中。