羅　瀟，劉佳興，郭　航，葉　芳，馬重芳

（北京工業(yè)大學 環(huán)境與能源工程學院 傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室，傳熱與能源利用北京市重點實驗室，北京 100124）

0　前　言

一體式再生燃料電池將燃料電池和電解池合二為一，具有比分離式和綜合式再生燃料電池更高的質量比能量和體積比能量。目前，對一體式再生燃料電池的研究主要集中在雙效膜電極[1]、高效耐腐蝕極板[2]及擴散層[3]等領域，同時也包括了探究不同的溫度、壓力、濕度等工況對電池性能的影響[4-5]，有關傳熱方面的研究報道比較少。XIAO等[6]建立二維、單相、非等溫、耦合電化學反應的瞬態(tài)模型，研究了質子交換膜一體式再生燃料電池模式切換過程中電池內部的傳熱傳質情況，并計算了氫氣、氧氣、水的質量分數(shù)，獲得了電流密度、電池溫度的分布。

一體式再生燃料電池內部溫度、熱流密度分布對電池性能有著重要影響。電池的工作過程是流體流動、質量傳輸、熱量傳遞、電荷傳輸和電化學動力學的耦合，溫度與電池內部發(fā)生的幾乎所有傳輸現(xiàn)象都有直接關系[7]。測量溫度的方法很多，熱電偶、紅外熱成像技術、電阻式溫度傳感器被用來測量電池內的溫度分布。汪茂海等[8]利用紅外熱成像技術，測量了質子交換膜燃料電池在不同運行工況下的溫度分布，發(fā)現(xiàn)表面溫度的分布不均勻是流道內流量分布不均勻所導致的。LEE等[9]在不銹鋼基板上濕蝕刻流道，然后在流道的肋上制造了微型溫度–電流–電壓聯(lián)測傳感器，測量了質子交換膜燃料電池堆內不同電池的溫度、電流和電壓隨時間的變化情況。BURHEIM 等[10]利用熱電偶進行了非原位熱測量，得到了20℃下一種質子交換膜燃料電池膜電極的熱導率，提出確定施加負載后多孔傳輸層的熱導率和接觸熱阻的方法。吳鑠等[11]利用真空蒸發(fā)技術制作了溫度–熱流密度聯(lián)測傳感器，對被動式甲醇燃料電池內部溫度和熱通量進行了同步在線測量，得到了放電過程中溫度和熱流的變化趨勢。上述三種方法已被用于質子交換膜燃料電池溫度的測量。但在一體式再生燃料電池中，上述三種成熟的技術沒有被用來進行溫度以及熱流密度的測量。一體式再生燃料電池中不同的熱源情形會造成電池內部的溫度和熱流密度分布的差異，理解溫度和熱流密度的分布特性對于一體式再生燃料電池的熱管理有著重要意義[12]。

直至目前，尚未見公開的文獻報道對一體式再生燃料電池內部的溫度、熱流密度及局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)進行研究。因此，有必要通過實驗的方法，獲取一體式再生燃料電池內部局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。由于現(xiàn)場測量時，電池內部產生的液態(tài)水會使薄膜傳感器失效。而且相對于在線研究，離線研究使得被測組件的特性可以被更為直觀地了解。本文通過非原位實驗，利用自制的薄膜傳感器，測量不同氣體預熱溫度下一體式再生燃料電池內部局部溫度和熱流密度，從而計算獲得一體式再生燃料電池內部的局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

1　實驗系統(tǒng)

1.1　一體式再生燃料電池實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)主要包含以下3個部分：一體式再生燃料電池、物料供給部分、數(shù)據(jù)采集部分。本實驗使用的膜電極有效面積為5 cm × 5 cm；流場板為厚度2 mm的致密鈦板，流道結構為蛇形流道，流道寬為2 mm，深為2 mm，脊寬為2 mm。實驗時在氫電極端板右側圓孔內放置加熱棒對電池內部進行局部加熱，左側圓孔內放置 PT100鉑電阻監(jiān)測電池的溫度。氫氣側通入氮氣，流量為208 mL/min，氧氣側也通入氮氣，流量為104 mL/min。

圖1　一體式再生燃料電池實驗系統(tǒng)Fig. 1　Unitized regenerative fuel cell experiment system

1.2　薄膜傳感器

實驗采用真空蒸發(fā)鍍膜技術制作的薄膜傳感器[12]，該傳感器可以實現(xiàn)溫度和熱流密度的同步測量，傳感器如圖2所示。薄膜傳感器的電極材料是純度為99.999%的銅和鎳，金屬薄膜厚度為0.1 μm。熱阻層材料為二氧化硅，厚熱阻層厚度為0.8 μm，薄熱阻層厚度為0.2 μm。補償導線采用與電極材料對應的純銅絲和純鎳絲，直徑均為0.2 mm，然后用導電銀膠完成引線粘接。傳感器在燃料電池內部的布置如圖3所示。在氫電極側流道內上、中、下游各布置了1個薄膜熱電偶，分別記為測點1、測點3、測點 5，測量流道內氣體溫度。氣體擴散層表面布置了3個薄膜傳感器，分別記為測點2、測點4、測點6，測量氣體擴散層表面的溫度和熱流密度。

圖2　薄膜傳感器實物圖Fig. 2　Physical map of thin film sensor

圖3　傳感器在電池中的布置圖Fig. 3　The location of sensors in unitized regenerative fuel cell

2　實驗結果與討論

2.1　傳感器的選擇

本文選取了3個薄膜傳感器和3個薄膜熱電偶放入電池進行溫度和熱流密度的測量。先對 6個傳感器的溫度測量單元進行標定，其對應的相關系數(shù)分別為0.999 70、0.999 81、0.999 77、0.999 34、0.999 76、0.999 95；然后對3個薄膜傳感器的熱流密度測量單元進行標定，其對應的相關系數(shù)分別為0.978 70、0.996 74、0.953 80。標定結果如圖4所示。表1給出了傳感器標定結果的擬合公式。

圖4　薄膜傳感器標定結果Fig. 4　Calibration results of thin film sensors

表1　薄膜傳感器標定結果擬合公式Table 1　Fitting formula of the calibration results of thin film sensors

2.2　不同氣體預熱溫度下燃料電池非原位實驗研究

圖5是氣體預熱溫度30℃、電池加熱溫度50℃時，測點4的溫度、熱流密度隨時間變化的曲線。溫度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，這是電池加熱方式造成的。當加熱棒處溫度已經達到50℃時，由于存在溫度梯度，鉑電阻處的溫度沒有達到50℃，因此各測點的溫度還會繼續(xù)上升超過50℃。當鉑電阻處的溫度達到50℃時，會控制加熱棒停止加熱，電池內部溫度開始下降。熱流密度整體上呈現(xiàn)出了下降的趨勢，這可能是隨著時間的變化，氣體擴散層和流道內氣體的溫差減小，造成了熱流密度的降低。

圖5　氣體預熱溫度30℃時，測點4熱流密度和溫度隨時間變化曲線Fig. 5　Curve of heat flux and temperature versus time of point 4 at 30°C

圖6和圖7是氣體預熱溫度分別為40℃和50℃時，測點4的溫度、熱流密度隨時間變化的曲線。結合三張圖可以看出，隨著氣體預熱溫度的升高，測點4能達到的最大溫度接近51.75℃。熱流密度值隨著預熱溫度升高而降低，50℃時，熱流密度的最小值接近100 W/m2。隨著氣體預熱溫度升高，流道內氣體和氣體擴散層表面的溫差減小，因此熱流密度值也降低。40℃時，在500 s前就已達到設定溫度停止了加熱，因此熱流密度隨時間的變化率要分別低于預熱溫度30℃和50℃時的變化率。

圖6　氣體預熱溫度40℃時，測點4熱流密度和溫度隨時間變化曲線Fig. 6　Curve of heat flux and temperature versus time of point 4 at 40°C

圖7　氣體預熱溫度50℃時，測點4熱流密度和溫度隨時間變化曲線Fig. 7　Curve of heat flux and temperature versus time of point 4 at 50°C

當氣體預熱溫度為50℃時，測點6的熱流密度以及測點5的溫度隨著時間變化的情況如圖8所示。測點5更靠近加熱棒處，因此，測點5的溫度最高。當氣體預熱溫度為50℃時，測點6的熱流密度要高于測點4的熱流密度。這是因為下游處的溫度梯度雖然小于中游處，但下游處流道內氣體和氣體擴散層表面的溫差比中游處大，因此測點6的熱流密度要高于測點4的熱流密度。相同氣體預熱溫度下，流道內氣體和氣體擴散層內的溫差對換熱量的影響要大于溫度梯度對換熱量的影響。隨著時間的推移，流道內氣體和氣體擴散層表面溫差減小，測點6的熱流密度也呈現(xiàn)出了下降的趨勢。

圖8　氣體預熱溫度50℃時，測點6熱流密度及測點5溫度隨時間變化曲線Fig. 8　Curve of heat flux of point 6 and temperature of point 5 versus time at 50°C

通過測量得出測點 1、測點 2的溫度，以及測點 2的熱流密度，根據(jù)式（1），可以計算出測點 2的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h：

其中，q為通過測點2的熱流密度，W/m2；Δt為測點1和測點2的溫度差，即流道內氣體和氣體擴散層表面的溫度差，K；h為測點2的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)。

圖9和圖10分別給出了氣體預熱溫度為30℃和40℃下，溫度、熱流密度和局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨時間的變化情況。測點1和測點2之間的溫差始終在3°C左右，即流道內的空氣和氣體擴散層表面的溫差始終在3°C左右。由圖中可以看出，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h隨著時間的推移逐漸減小。在30℃時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的值在 450～750 W/(m2·K) 之間；40℃時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h在 450～650 W/(m2·K) 之間。氣體預熱溫度的升高對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響不大。

圖9　氣體預熱溫度30℃時，溫度、熱流密度、局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨時間變化曲線Fig. 9　Curve of heat flux, temperature and local heat transfer coefficient versus time at 30°C

圖10　氣體預熱溫度為 40℃時，溫度、熱流密度、局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨時間變化曲線Fig. 10　Curve of heat flux, temperature and local heat transfer coefficient versus time at 40°C

3　結　論

采用自制的薄膜傳感器對一體式再生燃料電池進行了非原位實驗研究。結果表明：

（1）自制薄膜傳感器的溫度測量單元和熱流密度測量單元的線性度好，能滿足實驗的要求。

（2）靠近加熱棒處的溫度最高，熱流密度最低。相同的氣體預熱溫度下，流道內氣體和氣體擴散層內的溫差對換熱量的影響要大于溫度梯度的影響。

（3）在不同的氣體預熱溫度下，流道內空氣和氣體擴散層表面的溫差始終維持在 3℃左右，溫差的減小會使得熱流密度呈現(xiàn)出下降的趨勢。根據(jù)測得的溫度和熱流密度，計算出了氣體擴散層局部表面換熱系數(shù)。氣體預熱溫度的升高對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響不大。