PEM燃料电池冷却方法发展现状研究

2023-01-07许懿婧杨国刚苌国强

电源技术 2022年12期

许懿婧，杨国刚，苌国强

(大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连 116026)

随着化石能源的消耗和全球温室效应的加剧，清洁能源技术的发展成为重中之重，环境友好的氢燃料电池成为替代传统化石能源的新选择。相较于其他氢燃料电池，质子交换膜燃料电池因其工作温度区间适用性广、转换效率高、工作噪声低、高负荷状态下启动快等优势，迅速成为新能源技术研究的一大热点方向。但是PEMFC 的商业化却频频受阻，其关键问题是电池内部需有液态水来促进质子传递，这意味着电堆温度必须保持在水的沸点以下来确保高效率。散热不良则会导致质子交换膜干燥，从而使质子传递受限，严重恶化燃料电池电堆性能。PEMFC 所采用的冷却散热策略包括:空气冷却、被动冷却、液体(水或防冻剂)冷却和相变冷却，每种冷却策略都有其优势和局限性。本文旨在通过对已报道的冷却方法进行概述，为PEMFC 冷却策略的未来发展提供借鉴。

1 PEMFC 的产热机理

PEMFC 内部反应原理简单(见图1)，氢流经阳极进气通道和扩散层，最终到达催化层，根据化学表达式(1)氧化成电子和质子：

图1 PEMFC 内的化学反应

释放的电子通过阳极催化层最终到达阴极,质子通过膜传递到阴极催化层。然后氧气通过阴极扩散层扩散到催化层，在那里它与质子和电子反应生成水，如式(2)所示:

总的反应方程式为：

PEMFC 的热产生包括电化学反应的熵热，不可逆反应热，欧姆电阻热，以及水蒸气冷凝产生的热量,其中熵热和不可逆反应热分别占55%和10%，欧姆电阻热占5%[1]。熵热是反应物总化学能与热力学第二定律最大有用能之间的差额。不可逆反应热来自PEMFC 中的不可逆电化学反应,在阳极和阴极的两个电极反应都会产生热量。欧姆热的发生是因为离子流阻力和电子对PEMFC 内部组件的流阻力是导电的。

一般情况下，电堆内的能量平衡应考虑气体的焓以及剩余的热量耗散：

式中：Qin为反应气体的焓；Qout为未反应气体的焓；Wel为产生的电功率；Qdis为热量耗散；Qc为冷却系统带走的热量。

由于PEMFC 阴极上的反应是放热的，热量释放取决于电压，作为电化学反应副产品产生的热量必须及时从PEMFC 中取出，以保持电堆内温度的均匀性。如果不能及时散热，电池的温度就会升高,这将极大地破坏燃料电池的性能，甚至会导致质子交换膜的破裂和损坏[2]。燃料电池功率、方法复杂性和成本决定了PEMFC 冷却方法的选择。在常用的冷却方法中，空气冷却所适用的燃料电池容量最小，冷却能力最弱，被动冷却和液体冷却适合中等容量的燃料电池，而相变冷却的冷却能力最强[3]。

2 空气冷却

空气冷却仅适用于功率小于5 kW 的燃料电池。空冷系统结构如图2 所示，它使用空气作为冷却剂来传递热量，与需要较多辅助设备的水冷系统不同，没有冷却回路和热交换器，只需要风机进行空气循环。空气冷却方法使系统结构得到简化，减少了PEMFC 的体积和成本，降低了控制的复杂性。加拿大研究人员开发了空气冷却和自增湿的PEM 电堆，将冷却和反应氧化剂的空气流合并成一股气流，消除了加湿系统的必要性，并简化了系统集成[4]。

图2 空气冷却系统结构图

空冷电堆根据空气的作用可划分为边缘空冷电堆(edgeair-cooling)和阴极开放式(open-cathode)空冷电堆。边缘性空冷电堆采用风扇直接进行冷却。Sasmito 等[5]建立了一种风冷单通道燃料电池模型，创新性地在燃料电池空气入口处加入涡旋启动器，增加了阴极通道内气流的湍流强度，从而使得空气能够带走更多的热量。

阴极开放式空冷电堆内的空气既作为冷却剂，又作为反应物，在应用上更有前景。通常增加单独的空气冷却剂流道双极板或额外的空气冷却板，以提高冷却性能。Lee 等[6]设计了一种新型空冷PEMFC 阴极流场，反应空气和冷却空气从不同流道进入，且冷却流道入口面积大于反应流道入口面积。数值模拟分析表明，这种阴极流场的传热特性较好。

3 被动冷却

被动冷却是指将散热器或者热管等散热装置集成到PEMFC 中，从而将热量传递出去。被动冷却系统整体可靠简单，可以在电池内部没有冷却剂循环的情况下，进行远距离传输散热。

3.1 散热器冷却

Sabbah 等[7]比较了动力系统控制模块被动冷却和主动(强制空气)冷却在电池热管理方面的效果，发现在大放电率和高工作或环境温度下，被动冷却系统能满足与空冷相同的工作范围要求，并且不需要额外的风扇功率消耗。散热器被用作冷却燃料电池的方法，为了实现高传热率，使用高导热率的材料至关重要[8]。在Wen 等[9]进行的一项研究中，热解石墨板被用作散热器，两个小风扇用于强制对流(见图3)，研究结果表明通过使用散热器，除减少冷却系统的质量之外，使用上述板材还可以获得更均匀的温度分布和更高的体积功率密度。

图3 PEM电池组散热布置图[9]

3.2 热管冷却

高温热管通常使用液态碱金属(钠、钾或钠钾合金)作为传热流体，由于蒸发-传输-冷凝作用，热管具有极高的导热系数，即使截面面积很小，也可以在不增加功率输入的情况下将热量输送到相当远的距离上[10]。设计和制造能够集成到PEMFC 中的热管是使用热管作为热扩散器的一大挑战。Jason 等[11]设计了由长46.80 cm，宽14.70 cm，厚0.3175 cm 的铜管制成的几个排列在电池之间的脉动热管直接从热源中移除热量。Rahimib 等[12]研究了装配有热管的金属氢化物储罐与PEMFC 的组合分析，结果表明使用4 条热管覆盖10 条散热片，可实现2.5×106Pa 氢气的解吸过程的最佳性能。

4 液体冷却

液体冷却是指通过冷却剂的强制对流换热，将PEMFC 工作过程中产生的热量经双极板内部的冷却流道传出。液体冷却已成功地广泛应用于10 kW 及更大功率的大型PEMFC 电堆中，为提高质子交换膜燃料电池液体冷却系统效率，减小系统的尺寸和质量，众多学者在此方面做了大量工作。

传统的冷却剂主要由基础流体组成，如水、乙二醇和水混合物、油与水混合物等。但传统冷却剂因固有热特性差，极大地限制了其冷却性能，不能完全满足现代冷却系统对于散热的要求[13]。在基础流体中添加纳米粒子(CNT、金属或金属氧化物)所形成的纳米流体，为强化冷却技术带来了新的机遇。程亮等[14]验证了纳米流体在PEMFC 冷却系统中的应用潜力，发现使用平均0.5%(体积分数)的ZnO 纳米流体相比于标准传热流体，可以降低散热所需的散热器尺寸10%。Idris等[15]混合不同比例的AlO3和SiO2流体来观察纳米流体与传热增强和流体流动的影响，发现体积比为10∶90 的AlO3∶SiO2杂化纳米流体比单纳米流体具有更好的传热性能。

人们在改善双极板的流场结构和流道布局方面也展开了一系列研究，以提高双极板的换热特性。Seen 等[16]分析比较了传统蛇形流道和叠合树网流道的冷却效果，研究发现树状网能以较小的温差传递一定的热流，通过增加温差，即可获得更高的传热速率。Beak 等[17]通过数值模拟研究18 cm2大尺寸冷却板的冷却性能，测试了六个不同的平行流场，结果发现平行直流场压降最小，即温度均匀性最差；传统平行蛇形流场冷却效果稍差；由不同路径长度蛇形管道构成的多程蛇形流场具有最好的冷却性能。除了传统的平行流场之外，研究者们还提出了蛇形流场、交错流场等新型流场，如网格流场、叶栅流场、分形流场、仿生学流场组合设计[18]。Rahgoshay等[19]研究发现蛇形结构的均匀温度指数比平行型高24%，由于平行结构中冷却液流动分布较差，蛇形构型与平行构型相比性能更有效。

5 相变冷却

相变冷却是通过汽化的焓来消除燃料电池中的废热。与传统冷却不同，相变冷却可以利用冷却剂的潜热，具有独特优势，如降低冷却剂流速、简化系统布局等。

5.1 蒸发冷却

蒸发冷却是将冷却剂直接注入阴极流道，并在此蒸发、冷却和加湿电池组。PEMFC 内部反应产生水，同时水能被用于对反应气体进行湿化，故蒸发冷却系统可以将加湿和除水相结合，在散热的同时对阴极进行加湿，而不需要外部加湿器或冷却板。典型的蒸发冷却系统如图4 所示。

图4 PEMFC蒸发冷却系统示意图

Thring 等[20]提出采用直接注水蒸发冷却技术的验证模型，并用于研究电池堆温度动态变化。模拟结果表明蒸发冷却系统具有很好的温度自调节能力，在正常运行条件下，采用该冷却策略的冷却系统比传统的液体冷却系统更简单。前人已经对湿化和注水蒸发冷却系统进行了大量深入的研究，很难同时处理湿化和蒸发冷却的问题。Seong 等[21]设计了一种外混合雾化器的阴极同步加湿器和蒸发冷却系统，并对其性能进行了实验研究。该系统采用直接注水的方法只用一个小喷嘴而不需要大型外部加湿器或空气-水混合器，减少了现有冷却剂散热器的排热负荷，提供了额外的冷却能力。

5.2 沸腾两相冷却

沸腾两相冷却是指冷却液在达到沸点的条件下从液态转变为气态，带走热源热量的冷却方式。因其高效的冷却能力，被广泛应用于计算机芯片、激光二极管和其他电子设备和元件[22]。这种方法也可以应用于PEMFC 的冷却，Yan 等[23]结合相变冷却的数值模型，将相变冷却与传统方法(即风冷和水冷)进行全面的比较，发现相变冷却的温度均匀性更好，大大提高了热管理性能。

但因其有限性，一些研究人员在PEMFC 的热通量范围内研究了两相流的两相传热系数、流动不稳定性和冷却剂通道优化，但很难找到真正的PEMFC 两相冷却法的实验研究。Jung 等[24]通过在不同的燃料电池运行条件下的实验，检测不同热量、质量和冷却剂压力条件下壁温度的冷却性能及其对燃料电池性能的影响，并与传统的水冷却系统的结果相比较，揭示了燃料电池微通道内的两相沸腾传热特性。

5.3 相变材料冷却

相变传热是指相变材料发生相变时存储和释放潜热，从而在相变过程中进行热传递。相变冷却技术缓解了能源供应双方的时间、强度和地点之间的不匹配，在未来燃料电池热管理中具有广阔的发展前景。石蜡，脂肪酸和多元醇等成本低，工作温度范围广，是一种常用的低温相变材料，被广泛应用在工作温度为60～80 ℃的PEMFC 中[25]。

相变材料热导率小的局限性也让研究者们饱受困扰。Hemery 等[26]在模拟环境中比较了空气冷却系统和液体循环相变材料冷却系统，其中27 个电加热器代表电池单元，并发现虽然相变材料的使用提高了温度均匀性，但电池内部的最高温度与空气冷却相近。Agus 等[27]提出以绝热体与相变材料相结合作为被动热源的“保温法”的创新设计理念，这种设计有望减少绝缘体厚度和外部主动加热设备，从而降低复杂性和成本。