均溫板在質(zhì)子交換膜燃料電池堆熱管理中的應(yīng)用

柏興應(yīng) 簡棄非 羅立中 趙晶 黃碧

(華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院,廣東 廣州 510640)

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)作為一種新型的能量轉(zhuǎn)換裝置，由于其具備能量轉(zhuǎn)換效率高、運行溫度低、能夠快速啟停、燃料來源廣、零排放無污染等優(yōu)點，而被視為航空航天、汽車運輸、發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域的未來動力源[1- 2]。但質(zhì)子交換膜燃料電池在高效轉(zhuǎn)化能量的同時也伴隨著巨大的產(chǎn)熱量，如果熱量無法有效移除，過高的溫度將會影響燃料電池的輸出性能，甚至破壞燃料電池部件造成不可逆損壞[3]。因此，質(zhì)子交換膜燃料電池的有效熱管理成為了當(dāng)今學(xué)界的熱門課題之一，許多專家學(xué)者圍繞燃料電池的熱管理策略開展了大量研究。

合理的熱管理策略是質(zhì)子交換膜燃料電池具有良好輸出性能的關(guān)鍵。液體冷卻和空氣冷卻是目前最常用的兩種冷卻方法[4]，通過水泵或空壓機驅(qū)動冷卻工質(zhì)在雙極板間的冷卻通道流動，帶走電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。這兩種方式雖能有效散熱，但同時也帶來了額外的功率損失，還增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。而基于相變傳熱原理的熱管技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單、散熱效率高且無附加動力源，極大降低了PEMFC系統(tǒng)的制造成本。Anggito等[5]利用熱管技術(shù)，將PEMFC電池堆的產(chǎn)熱與金屬儲氫進行熱耦合，實現(xiàn)了電池堆余熱的再利用，但儲氫器吸收供氫所需熱量后，電池堆大部分產(chǎn)熱仍需另設(shè)冷卻系統(tǒng)散熱。Paula等[6]設(shè)計了一種用泵輔助毛細回路和熱管結(jié)合的兩相換熱，來替代低效的單相氣液散熱作為燃料電池堆的冷熱管理方案，發(fā)現(xiàn)兩相換熱組合系統(tǒng)能將電池堆加熱并維持在70～90 ℃的區(qū)間內(nèi)。Navid等[7]運用數(shù)值模擬結(jié)合實驗的方法探究了熱管在PEMFC冷卻中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)將電池堆溫度控制在60～80 ℃的理想范圍內(nèi)時，液冷所需熱管數(shù)量最少，冷卻耗功也最低。Amir等[8]設(shè)計了一種帶孔的雙極板將熱管集成到甲醇燃料電池中，結(jié)果表明基于熱管散熱的直接甲醇燃料電池可穩(wěn)定運行。許多相關(guān)學(xué)者也做了類似研究，但大多數(shù)研究并未將熱管集成到實際的燃料電池堆中，而是基于數(shù)值仿真或利用加熱片加熱石墨板模擬燃料電池堆產(chǎn)熱，忽略了質(zhì)子交換膜燃料電池在運行過程中不同區(qū)域產(chǎn)熱不同的實際情況。本研究提出了將高效換熱的均溫板應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)峁芾淼南敕ú⒊晒⑵浼傻綄嶋H的質(zhì)子交換膜燃料電池堆中，通過實驗探究了該電池堆的產(chǎn)熱量、溫度分布及輸出性能在不同負載工況下的變化，實驗結(jié)果可為燃料電池?zé)峁芾聿呗缘难芯刻峁┲匾獏⒖肌?/p>

1 均溫雙極板結(jié)構(gòu)

1.1 均溫板結(jié)構(gòu)

均溫板一般由外殼、毛細芯、支撐柱、傳熱工質(zhì)和蒸汽腔組成，其幾何結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。均溫板工作原理與熱管相變傳熱原理相同，板內(nèi)液態(tài)工質(zhì)在蒸發(fā)端受熱汽化，腔內(nèi)壓差驅(qū)動蒸汽向冷凝端移動，氣態(tài)工質(zhì)遇冷液化并釋放熱量，冷凝液體則在燒結(jié)芯毛細作用下回流至蒸發(fā)端再次汽化循環(huán)。與熱管圓柱狀結(jié)構(gòu)不同，均溫板呈薄扁板狀，其蒸發(fā)端上下兩面可最大程度地與熱源平面貼合，將熱量迅速傳遞到大面積散熱面上進行冷卻，有效避免了局部過熱現(xiàn)象的發(fā)生。在實際加工過程中，板體長度為276 mm，寬度為110 mm，厚度為1.5 mm，其中上下層板殼壁厚0.2 mm，腔內(nèi)兩面毛細芯厚0.4 mm[9]，蒸汽通道高0.3 mm，支撐柱直徑為1.5 mm，按照3.8 mm×3.8 mm間距布置如圖2所示。支撐柱與毛細芯均采用銅粉燒結(jié)，均勻分布的小直徑支撐柱在單電池層疊組成PEMFC電池堆時，可有效防止應(yīng)力作用和內(nèi)外壓差破壞，保證均溫板平整性，同時可增大支撐柱間距以減少板體傳熱熱阻[10]。裝配完成后，對均溫板抽真空并充入7.3 g去離子水作為工作介質(zhì)。

圖1 均溫板工作原理模型

圖2 均溫板剖面結(jié)構(gòu)及局部支撐柱

1.2 雙極板流場結(jié)構(gòu)及測點布置

實驗在一個包含5個單電池的質(zhì)子交換膜燃料電池堆中進行，以石墨板作為燃料電池的極板，反應(yīng)氣體在陰陽兩極以多路蛇形的方式流動，流場結(jié)構(gòu)如圖3所示。陰極是電池堆內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)釋放熱量的主要區(qū)域，為了準確測量單電池內(nèi)的溫度變化而將熱電偶溫度測點布置在陰極板中。本實驗采用的是當(dāng)量直徑為1 mm的K型熱電偶(Omega GG-K-30)，通過密封涂膠的方式固定安裝在陰極板中。考慮熱電偶安裝對電池堆性能的影響與測量準確性之間的均衡，將陰極板沿氣體進口到氣體出口的流場等分為8個區(qū)域，并以1-1—1-4、2-1—2-4編號標記，如圖3(b)所示。在每個區(qū)域的中央，以距極板邊界17.5 mm和8.5 mm的深度，將2個熱電偶并排嵌入預(yù)留的溝槽中，以實時監(jiān)測單電池的內(nèi)部區(qū)域溫度。

圖3 陰、陽極石墨板流場結(jié)構(gòu)

表1示出了實驗所用質(zhì)子交換膜燃料電池單元相關(guān)部件結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)。各部件加工完成后，將陰、陽極石墨板以熱壓涂膠的方式分別組裝到均溫板蒸發(fā)端的兩側(cè)，構(gòu)成均溫雙極板,如圖4所示。將質(zhì)子交換膜與涂有催化劑的碳紙熱壓成有效面積為80 cm2的膜電極組件，陽極的Pt負載量為0.27 mg/cm2，陰極的Pt負載量為0.53 mg/cm2。圖5示出了5個膜電極組件與6塊均溫雙極板相間堆疊，組成包含5個單電池的質(zhì)子交換膜燃料電池堆。電池堆通過兩側(cè)集電極輸出電壓，并將均溫雙極板冷凝端同側(cè)排列以保證各單電池散熱均勻。

2 實驗測試原理與系統(tǒng)設(shè)置

質(zhì)子交換膜燃料電池堆的實驗測試系統(tǒng)如圖6所示，在陰陽兩極分別通入空氣、氫氣，其中純度為99.999%的氫氣由高壓氣罐提供，通過降壓閥調(diào)節(jié)進氣壓力為0.06 MPa，進氣溫度為27～28 ℃?？諝鈩t由空壓機(DT550W-30L,DAERTUO)以60 L/min的流速泵入，進氣壓力為0.12 MPa，進氣溫度27～30 ℃，相對濕度為75%～80%，兩種反應(yīng)氣體在實驗過程中均不預(yù)熱或加濕。此外，為保證陽極燃料的充分利用和均勻分布，在氫氣排氣口設(shè)置單片機控制的電磁閥，使陽極為閉端，在每30 s的循環(huán)周期后連續(xù)排氣0.5 s。為了及時排除反應(yīng)生成的水，陰極氣體出口為常開狀態(tài)。將電子負載連接到燃料電池堆兩端的集電極上，通過改變加載電流實現(xiàn)不同的運行工況。運行時，燃料電池堆各單電池的產(chǎn)熱傳入均溫雙極板蒸發(fā)端，驅(qū)動工質(zhì)將熱量帶到冷凝端，再通過風(fēng)扇以強制對流的方式換熱冷卻。冷卻風(fēng)扇以3.48 W的功率運行，數(shù)據(jù)采集儀每0.5 s記錄一次堆中的電壓和溫度，最后匯集到計算機中通過操作軟件實時監(jiān)測燃料電池堆的運行狀態(tài)。主要儀器的工作精度見表2。

表1 質(zhì)子交換膜燃料電池幾何參數(shù)

圖4 均溫雙極板結(jié)構(gòu)

圖5 含均溫雙極板的質(zhì)子交換膜燃料電池堆

圖6 實驗系統(tǒng)示意圖

表2 儀器測量精度

將質(zhì)子交換膜燃料電池堆陽極朝上陰極朝下水平放置，為便于實驗記錄分析，將陰極板安裝有熱電偶的單電池從上到下依次記為Cell 1、Cell 2、Cell 3、Cell 4、Cell 5。實驗開始前，將質(zhì)子交換膜燃料電池堆充分活化3 h。實驗時先將電池堆在開路狀態(tài)下運行4 min以保證系統(tǒng)性能參數(shù)的相對穩(wěn)定，然后通過電子負載將燃料電池堆從1 A均勻加載至8 A，在每個電流負載狀態(tài)運行10 min以使電池堆在下一個階躍變化前達到相對平衡。

3 實驗數(shù)據(jù)處理及分析

在運行期間，質(zhì)子交換膜燃料電池除了產(chǎn)生電能還會釋放大量的熱量。由文獻[11]可知電池堆產(chǎn)熱率Qgen的計算定義如下：

(1)

其中:ncell為單電池個數(shù)，本實驗所用質(zhì)子交換膜燃料電池堆ncell=5；熱平衡電勢Vte=1.482 V；Vcell x為電子負載電流為I時單電池x的電壓。電池堆電壓及產(chǎn)熱率與電流關(guān)系如圖7所示，質(zhì)子交換膜燃料電池堆產(chǎn)熱率隨著負載電流的增大而線性增加，當(dāng)加載至8 A時產(chǎn)熱率最大為50.6 W。同時可以觀察到，在電流為8 A時，燃料電池堆總電壓Vs為3.4 V，各單電池平均輸出電壓為0.68 V，說明在電池堆產(chǎn)熱快速增加時，單電池仍具有良好的輸出性能。此外，從電池堆總電壓Vs的變化趨勢可以看出，當(dāng)電流接近8 A時，極化曲線的斜率變化較小，表明即使進一步增大電流，電池堆的極化損耗也不會很大。同時也說明了PEMFC在與均溫板堆疊而成的電池堆中可以正常運行。

圖7 電池堆極化曲線及電池堆產(chǎn)熱率與電流變化關(guān)系

3.1 溫度均勻性

電池堆內(nèi)各單電池的溫度分布特性存在差異，而將均溫板與陰陽極石墨板組成的均溫雙極板集成到5塊單電池中，保證了燃料電池堆內(nèi)溫度分布的穩(wěn)定均勻。引入溫度均勻性指數(shù)(TUI)來評估PEMFC電池堆的溫度分布特性，其定義如下[12- 13]：

(2)

其中，tlocal為局部區(qū)域溫度，tave為平均溫度，A為有效反應(yīng)面積。

當(dāng)電池具有較高的TUI時，說明其溫度分布不均勻，反之較低的TUI則表明電池內(nèi)溫度分布均一性較好。研究中為綜合考慮各熱電偶測點所反映的單電池局部區(qū)域溫度特性，將式(2)改寫為

(3)

式中：ti, j為對應(yīng)電池區(qū)域(見圖3(b))的溫度，tavg為單電池平均溫度；ntc為單電池縱向和橫向的熱電偶測點數(shù)量乘積，N=2，M=4，ntc=N×M=8。

類似地，為表征整個電池堆的溫度分布特性，將式(2)改寫為

(4)

其中，tk為各單電池局部測點的溫度，tavg,stack為整個電池堆平均溫度。

圖8示出了各單電池TUI隨電流的變化趨勢，在初始階段各單電池TUI均為0.3左右，說明小電流密度時電池堆燃料氣體供給充足，各單電池運行正常，溫度均勻性好。而隨著負載電流的逐漸增大，不同單電池的溫度分布差異性更加明顯。從2 A開始，電池堆上層的Cell 1、Cell 2 TUI偏高，而下層的Cell 3、Cell 4、Cell 5 TUI偏低，可能是由于Cell 1、Cell 2位于電池堆上層，相對更靠近電池堆的進排氣口，進氣溫度較低，加上電磁閥的排氣作用周期使燃料氣體的供給和排放振蕩波動，燃料氣體分布不均勻?qū)е耇UI高，溫度均勻性差，其中最接近進排氣口的Cell 1最為明顯。而在1～8 A的低負載電流下，電池堆尚未出現(xiàn)水淹，位于電池堆下層的Cell 3、Cell 4、Cell 5燃料供應(yīng)相對穩(wěn)定充足，擾動少，隨著負載電流的增大，溫度分布具有趨于穩(wěn)定的趨勢。與上層兩塊單電池相比，在同等散熱能力的均溫板作用下，下層3塊單電池的溫度均勻性更好。整個加載過程中，下層各單電池TUI均保持在0.8以下，在8 A時整個電池堆中Cell 4 TUI最低，僅為0.62。

5塊單電池在2、4、6、8 A時的平面溫度分布云圖如圖9所示。2 A時各單電池溫度分布較均勻，單電池TUI均在0.5以內(nèi)，無明顯溫度波動。從整個電池堆來看，2 A時Cell 4靠空氣出口處(X=214 mm，Y=33 mm)有最高溫度36.2 ℃;最低溫度34.9 ℃則出現(xiàn)在Cell 1空氣進口區(qū)域(X=0 mm，Y=10 mm)，堆內(nèi)各單電池間最大溫差Δtstack為1.3 ℃(見表3)，此時的電池堆TUI也僅為0.34。而隨著電流的不斷增大，在4、6、8 A的溫度分布云圖中，可以明顯地發(fā)現(xiàn)在各單電池0 mm≤X≤67.75 mm的電池堆進氣區(qū)域出現(xiàn)了不同程度的溫度波動。尤其是8 A時，Cell 1、Cell 2以及Cell 3的進氣區(qū)域出現(xiàn)了局部低溫，其中Cell 1進氣區(qū)域溫度為整個電池堆最低，僅為44.3 ℃，溫度波動最為明顯。這是因為陰極空氣的進氣溫度僅為環(huán)境溫度，在加載過程中基本保持不變，而各單電池的流場區(qū)域(0 mm≤X≤214 mm)隨著加載電流的增大，產(chǎn)熱增加，溫度升高，導(dǎo)致堆內(nèi)最大溫差Δtstack及TUIstack逐漸增大(如表3所示)，溫度均勻性變差。并且進口處的大流速帶走了較多熱量，加劇了Cell 1進口區(qū)域的低溫波動。這一結(jié)果與圖8中Cell 1 TUI最大相符合，說明空氣的進氣溫度會影響單電池的平面溫度分布，越靠近進氣口，擾動影響越大。忽略受進氣溫度影響的進口區(qū)域，各單電池的中尾部區(qū)域(67.75 mm≤X≤214 mm)溫度分布均勻，未出現(xiàn)明顯溫度波動，說明在電池堆中均溫板能促進各單電池溫度分布的一致性。此外，在電流逐步加載的過程中，整個電池堆的最高溫度均出現(xiàn)在Cell 4尾部的排氣區(qū)域(146.25 mm≤X≤214 mm)，并且位于電池堆下層的單電池Cell 3、Cell 4、Cell 5溫度明顯高于上層的單電池Cell 1、Cell 2，說明PEMFC堆內(nèi)的燃料供給以及散熱排水還受到重力的影響，這一觀點已被其他研究證實[14]。

圖8 單電池TUI與電流的關(guān)系

圖9 不同電流下的單電池溫度分布云圖

表3 不同電流下質(zhì)子交換膜燃料電池堆溫度特性

3.2 PEMFC電池堆溫度與輸出電壓關(guān)系

選取各單電池在每個負載電流穩(wěn)定階段的最后一分鐘的平均電壓和溫度進行表征分析。圖10示出了各單電池溫度、電壓隨負載電流的變化關(guān)系。在2 A之前，Cell 1輸出電壓與其他4塊單電池大致相等，而在2 A之后Cell 1輸出電壓明顯下降，一直到8 A均為最低，這是因為在初始階段電流密度低，電化學(xué)反應(yīng)所需燃料氣體較少，進氣溫度擾動影響相對偏小，各單電池溫度均勻性較好，輸出性能基本相同。而隨著負載電流的增大，進氣擾動影響增強，各單電池溫度均勻性逐漸惡化，從而使受擾動影響最大的Cell 1輸出電壓最低。結(jié)合圖11分析，在1 A時Cell 1電池內(nèi)最大溫差僅為0.3 ℃，而在2 A之后，3 A時迅速增加到0.6 ℃，隨著負載電流的增大，Cell 1內(nèi)區(qū)域溫度差異也更大，到7 A時Cell 1內(nèi)區(qū)域最大溫差接近1.0 ℃，與堆內(nèi)其他單電池相比溫度均勻性較差，導(dǎo)致Cell 1平均電壓Uave持續(xù)偏低。

圖10 單電池溫度、電壓隨電流的變化

在相同的電流密度下，若單電池輸出電壓高，則說明其內(nèi)部損耗小，發(fā)熱量少，相應(yīng)的溫度也更低。但是從圖10中可以發(fā)現(xiàn)，電池堆下層單電池Cell 3、Cell 4、Cell 5的電壓和溫度均明顯高于上層的Cell 1、Cell 2。這是因為上層的單電池雖然輸出電壓低，產(chǎn)熱量多，但其除了相同的均溫板散熱以外，Cell 1、Cell 2還受端板效應(yīng)以及靠近進排氣口更強的散熱作用，從而使其溫度低于輸出高、發(fā)熱少的下層單電池。這也是在圖11中I=1 A時，Cell 4、Cell 5具有0.7 ℃左右的溫差仍能輸出較高電壓的原因。結(jié)合圖10、圖11可以發(fā)現(xiàn)，Cell 4隨著負載電流的增大，溫度始終為電池堆內(nèi)最高，但TUI一直在0.7以下，保持較高輸出電壓的同時仍具有良好的溫度均勻性，在2 A以后電池內(nèi)最大溫差均不超過0.6 ℃。這表明均溫板在單電池產(chǎn)生高輸出時，可有效散去單電池產(chǎn)生的熱量并保持電池內(nèi)各區(qū)域溫度的均勻性，避免出現(xiàn)低溫冷區(qū)或高溫?zé)狳c，對質(zhì)子交換膜起到了一定的保護作用。

圖11 不同電流下各單電池最大溫差與平均電壓

3.3 均溫板與水冷冷卻性能比較

為了進一步量化分析均溫板在質(zhì)子交換膜燃料電池堆熱管理中冷卻性能的優(yōu)劣，引入本課題組已有的水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池堆[15]與本研究安裝有均溫板的質(zhì)子交換膜燃料電池堆作均溫性對比。在相同的操作條件下運行水冷電池堆，為了更好地比較不同冷卻方法的冷卻特性，同樣選取水冷電池堆中溫度具有代表性的5塊單電池與均溫板電池堆單電池作對比分析。

在1、4、8 A時2個電池堆的各個單電池之間的最大溫差比較如圖12所示?？梢杂^察到在3種電流狀態(tài)下，水冷電池堆各個單電池的最大溫差均高于均溫板電池堆，尤其是8 A時均溫板電池堆各電池內(nèi)最大溫差都小于0.7 ℃，而水冷電池堆均在0.9 ℃以上，這表明在相同工況下，均溫板能更好地保證PEMFC的溫度均勻性。此外，可以看到2個電池堆在不同電流狀態(tài)下溫差最大的單電池均為離進排氣口最近的Cell 1，這說明電池堆的熱管理要考慮進排氣的影響。更值得注意的是，隨著負載電流的增大，均溫板電池堆內(nèi)單電池最大溫差具有明顯的下降趨勢。尤其是在1 A時Cell 3最大溫差為0.5 ℃，而到8 A時其下降至0.2 ℃以下，這是因為在加載過程中電池堆產(chǎn)熱量增大，電池堆整體溫度也隨之升高，更高的溫度有利于增強均溫板內(nèi)各區(qū)域?qū)峤橘|(zhì)的工作循環(huán)，從而使得均溫板電池堆各單電池在負載電流增大時，表現(xiàn)出了更小的最大溫差。

圖12 3種電流狀態(tài)下2個電池堆的最大溫差比較

4 結(jié)論

實驗結(jié)果表明，在負載電流從1 A加載至8 A的過程中，均溫板可使整個電池堆的TUI保持在1.0以下，具有較好的溫度均勻性。同時隨著負載電流的增大，各單電池TUI逐漸趨于平緩，避免電池內(nèi)部出現(xiàn)低溫冷區(qū)或高溫?zé)狳c，有效保護了質(zhì)子交換膜。而對于加載過程中堆內(nèi)輸出電壓最高的單電池Cell 3、Cell 4、Cell 5，均溫板可將這3塊單電池內(nèi)部最大溫差控制在0.8 ℃以內(nèi)。并且在相同工況下，與水冷堆相比，均溫板電池堆內(nèi)的單電池最大溫差均在1.0 ℃以下，均溫板較水冷具有更好的均溫能力。這說明均溫板可有效散去堆內(nèi)熱量并保持電池各區(qū)域溫度均勻，為質(zhì)子交換膜燃料電池堆的結(jié)構(gòu)緊湊、集成化熱管理控制技術(shù)提供了新的途徑。