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)?，不可逆反?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)生的熱量必須及時從 PEMFC 中取出，以保持電堆內(nèi)溫度的均勻性。如果不能及時散熱，電池的溫度就會升高，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。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傳遞熱量，與需要較多輔助設(shè)備的水冷系統(tǒng)不同，沒有冷卻回路和熱交換器，只需要風(fēng)機進行空氣循環(huán)?？諝饫鋮s方法使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡化，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、被動冷卻

被動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。被動冷卻系統(tǒng)整體可靠簡單，可以在電池內(nèi)部沒有冷卻劑循環(huán)的情況下，進行遠(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 等進行的一項研究中，熱解石墨板被用作散熱器，兩個小風(fēng)扇用于強制對流(見圖 2)，研究結(jié)果表明通過使用散熱器，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)計和制造能夠集成到PEMFC 中的熱管是使用熱管作為熱擴散器的一大挑戰(zhàn)。 Jason 等設(shè)計了由長 46.80cm，寬 14.70cm，厚 0.3175cm 的銅管制成的幾個排列在電池之間的脈動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，可實現(xiàn) 2.5×106 Pa 氫氣的解吸過程的最佳性能。

3、液體冷卻

液體冷卻是指通過冷卻劑的強制對流換熱，將 PEMFC 工作過程中產(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，為強化冷卻技術(shù)帶來了新的機遇。程亮等驗證了納米流體在 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

相變冷卻是通過汽化的焓來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，具有獨特優(yōu)勢，如降低冷卻劑流速、簡化系統(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，同時水能被用于對反應(yīng)氣體進行濕化，故蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)可以將加濕和除水相結(jié)合，在散熱的同時對陰極進行加濕，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到沸點的條件下從液態(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)用于計算機芯片、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)生相變時存儲和釋放潛熱，從而在相變過程中進行熱傳遞。相變冷卻技術(shù)緩解了能源供應(yīng)雙方的時間、強度和地點之間的不匹配，在未來燃料電池?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。