許懿婧，楊國(guó)剛，萇國(guó)強(qiáng)

(大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連 116026)

隨著化石能源的消耗和全球溫室效應(yīng)的加劇，清潔能源技術(shù)的發(fā)展成為重中之重，環(huán)境友好的氫燃料電池成為替代傳統(tǒng)化石能源的新選擇。相較于其他氫燃料電池，質(zhì)子交換膜燃料電池因其工作溫度區(qū)間適用性廣、轉(zhuǎn)換效率高、工作噪聲低、高負(fù)荷狀態(tài)下啟動(dòng)快等優(yōu)勢(shì)，迅速成為新能源技術(shù)研究的一大熱點(diǎn)方向。但是PEMFC 的商業(yè)化卻頻頻受阻，其關(guān)鍵問(wèn)題是電池內(nèi)部需有液態(tài)水來(lái)促進(jìn)質(zhì)子傳遞，這意味著電堆溫度必須保持在水的沸點(diǎn)以下來(lái)確保高效率。散熱不良則會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子交換膜干燥，從而使質(zhì)子傳遞受限，嚴(yán)重惡化燃料電池電堆性能。PEMFC 所采用的冷卻散熱策略包括:空氣冷卻、被動(dòng)冷卻、液體(水或防凍劑)冷卻和相變冷卻，每種冷卻策略都有其優(yōu)勢(shì)和局限性。本文旨在通過(guò)對(duì)已報(bào)道的冷卻方法進(jìn)行概述，為PEMFC 冷卻策略的未來(lái)發(fā)展提供借鑒。

1 PEMFC 的產(chǎn)熱機(jī)理

PEMFC 內(nèi)部反應(yīng)原理簡(jiǎn)單(見圖1)，氫流經(jīng)陽(yáng)極進(jìn)氣通道和擴(kuò)散層，最終到達(dá)催化層，根據(jù)化學(xué)表達(dá)式(1)氧化成電子和質(zhì)子：

圖1 PEMFC 內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)

釋放的電子通過(guò)陽(yáng)極催化層最終到達(dá)陰極,質(zhì)子通過(guò)膜傳遞到陰極催化層。然后氧氣通過(guò)陰極擴(kuò)散層擴(kuò)散到催化層，在那里它與質(zhì)子和電子反應(yīng)生成水，如式(2)所示:

總的反應(yīng)方程式為：

PEMFC 的熱產(chǎn)生包括電化學(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%[1]。熵?zé)崾欠磻?yīng)物總化學(xué)能與熱力學(xué)第二定律最大有用能之間的差額。不可逆反應(yīng)熱來(lái)自PEMFC 中的不可逆電化學(xué)反應(yīng),在陽(yáng)極和陰極的兩個(gè)電極反應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生熱量。歐姆熱的發(fā)生是因?yàn)殡x子流阻力和電子對(duì)PEMFC 內(nèi)部組件的流阻力是導(dǎo)電的。

一般情況下，電堆內(nèi)的能量平衡應(yīng)考慮氣體的焓以及剩余的熱量耗散：

式中：Qin為反應(yīng)氣體的焓；Qout為未反應(yīng)氣體的焓；Wel為產(chǎn)生的電功率；Qdis為熱量耗散；Qc為冷卻系統(tǒng)帶走的熱量。

由于PEMFC 陰極上的反應(yīng)是放熱的，熱量釋放取決于電壓，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[2]。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)[3]。

2 空氣冷卻

空氣冷卻僅適用于功率小于5 kW 的燃料電池?？绽湎到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 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)?？諝饫鋮s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。加拿大研究人員開發(fā)了空氣冷卻和自增濕的PEM 電堆，將冷卻和反應(yīng)氧化劑的空氣流合并成一股氣流，消除了加濕系統(tǒng)的必要性，并簡(jiǎn)化了系統(tǒng)集成[4]。

圖2 空氣冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

空冷電堆根據(jù)空氣的作用可劃分為邊緣空冷電堆(edgeair-cooling)和陰極開放式(open-cathode)空冷電堆。邊緣性空冷電堆采用風(fēng)扇直接進(jìn)行冷卻。Sasmito 等[5]建立了一種風(fēng)冷單通道燃料電池模型，創(chuàng)新性地在燃料電池空氣入口處加入渦旋啟動(dòng)器，增加了陰極通道內(nèi)氣流的湍流強(qiáng)度，從而使得空氣能夠帶走更多的熱量。

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。Lee 等[6]設(shè)計(jì)了一種新型空冷PEMFC 陰極流場(chǎng)，反應(yīng)空氣和冷卻空氣從不同流道進(jìn)入，且冷卻流道入口面積大于反應(yīng)流道入口面積。數(shù)值模擬分析表明，這種陰極流場(chǎng)的傳熱特性較好。

3 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。

3.1 散熱器冷卻

Sabbah 等[7]比較了動(dòng)力系統(tǒng)控制模塊被動(dòng)冷卻和主動(dòng)(強(qiáng)制空氣)冷卻在電池?zé)峁芾矸矫娴男Ч?，發(fā)現(xiàn)在大放電率和高工作或環(huán)境溫度下，被動(dòng)冷卻系統(tǒng)能滿足與空冷相同的工作范圍要求，并且不需要額外的風(fēng)扇功率消耗。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[8]。在Wen 等[9]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3)，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。

圖3 PEM電池組散熱布置圖[9]

3.2 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[10]。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[11]設(shè)計(jì)了由長(zhǎng)46.80 cm，寬14.70 cm，厚0.3175 cm 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[12]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)2.5×106Pa 氫氣的解吸過(guò)程的最佳性能。

4 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10 kW 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[13]。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[14]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%。Idris等[15]混合不同比例的AlO3和SiO2流體來(lái)觀察納米流體與傳熱增強(qiáng)和流體流動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)體積比為10∶90 的AlO3∶SiO2雜化納米流體比單納米流體具有更好的傳熱性能。

人們?cè)诟纳齐p極板的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和流道布局方面也展開了一系列研究，以提高雙極板的換熱特性。Seen 等[16]分析比較了傳統(tǒng)蛇形流道和疊合樹網(wǎng)流道的冷卻效果，研究發(fā)現(xiàn)樹狀網(wǎng)能以較小的溫差傳遞一定的熱流，通過(guò)增加溫差，即可獲得更高的傳熱速率。Beak 等[17]通過(guò)數(shù)值模擬研究18 cm2大尺寸冷卻板的冷卻性能，測(cè)試了六個(gè)不同的平行流場(chǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)平行直流場(chǎng)壓降最小，即溫度均勻性最差；傳統(tǒng)平行蛇形流場(chǎng)冷卻效果稍差；由不同路徑長(zhǎng)度蛇形管道構(gòu)成的多程蛇形流場(chǎng)具有最好的冷卻性能。除了傳統(tǒng)的平行流場(chǎng)之外，研究者們還提出了蛇形流場(chǎng)、交錯(cuò)流場(chǎng)等新型流場(chǎng)，如網(wǎng)格流場(chǎng)、葉柵流場(chǎng)、分形流場(chǎng)、仿生學(xué)流場(chǎng)組合設(shè)計(jì)[18]。Rahgoshay等[19]研究發(fā)現(xiàn)蛇形結(jié)構(gòu)的均勻溫度指數(shù)比平行型高24%，由于平行結(jié)構(gòu)中冷卻液流動(dòng)分布較差，蛇形構(gòu)型與平行構(gòu)型相比性能更有效。

5 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。

5.1 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4 所示。

圖4 PEMFC蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)示意圖

Thring 等[20]提出采用直接注水蒸發(fā)冷卻技術(shù)的驗(yàn)證模型，并用于研究電池堆溫度動(dòng)態(tài)變化。模擬結(jié)果表明蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)具有很好的溫度自調(diào)節(jié)能力，在正常運(yùn)行條件下，采用該冷卻策略的冷卻系統(tǒng)比傳統(tǒng)的液體冷卻系統(tǒng)更簡(jiǎn)單。前人已經(jīng)對(duì)濕化和注水蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了大量深入的研究，很難同時(shí)處理濕化和蒸發(fā)冷卻的問(wèn)題。Seong 等[21]設(shè)計(jì)了一種外混合霧化器的陰極同步加濕器和蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，并對(duì)其性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。該系統(tǒng)采用直接注水的方法只用一個(gè)小噴嘴而不需要大型外部加濕器或空氣-水混合器，減少了現(xiàn)有冷卻劑散熱器的排熱負(fù)荷，提供了額外的冷卻能力。

5.2 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[22]。這種方法也可以應(yīng)用于PEMFC 的冷卻，Yan 等[23]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。

但因其有限性，一些研究人員在PEMFC 的熱通量范圍內(nèi)研究了兩相流的兩相傳熱系數(shù)、流動(dòng)不穩(wěn)定性和冷卻劑通道優(yōu)化，但很難找到真正的PEMFC 兩相冷卻法的實(shí)驗(yàn)研究。Jung 等[24]通過(guò)在不同的燃料電池運(yùn)行條件下的實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)不同熱量、質(zhì)量和冷卻劑壓力條件下壁溫度的冷卻性能及其對(duì)燃料電池性能的影響，并與傳統(tǒng)的水冷卻系統(tǒng)的結(jié)果相比較，揭示了燃料電池微通道內(nèi)的兩相沸騰傳熱特性。

5.3 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[25]。

相變材料熱導(dǎo)率小的局限性也讓研究者們飽受困擾。Hemery 等[26]在模擬環(huán)境中比較了空氣冷卻系統(tǒng)和液體循環(huán)相變材料冷卻系統(tǒng)，其中27 個(gè)電加熱器代表電池單元，并發(fā)現(xiàn)雖然相變材料的使用提高了溫度均勻性，但電池內(nèi)部的最高溫度與空氣冷卻相近。Agus 等[27]提出以絕熱體與相變材料相結(jié)合作為被動(dòng)熱源的“保溫法”的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，這種設(shè)計(jì)有望減少絕緣體厚度和外部主動(dòng)加熱設(shè)備，從而降低復(fù)雜性和成本。

6 總結(jié)與展望

本文作者對(duì)冷卻PEMFC 中的各種應(yīng)用方法進(jìn)行了綜述和比較，給出了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)果表明：

（1）空氣冷卻方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、循環(huán)功耗低，控制系統(tǒng)內(nèi)的流道設(shè)置和空氣流流量能提高冷卻效果，但不適用于高功率燃料電池；

（2）被動(dòng)冷卻方法不需要外部設(shè)備和管道，對(duì)材料的熱導(dǎo)率有極高的要求，適合于低功率或中等功率冷卻燃料電池；

（3）液體冷卻方法溫度分布均勻，傳熱效率高，但循環(huán)功耗高，所需設(shè)備尺寸大，冷卻系統(tǒng)的配置對(duì)其性能有顯著的影響；

（4）相變冷卻方法具有極好的傳熱能力，可以顯著減少冷卻系統(tǒng)的尺寸，但因其熱通量的有限性，應(yīng)用受到限制。

空氣冷卻和液體冷卻依舊是目前運(yùn)用得最為廣泛的技術(shù)，被動(dòng)冷卻和相變冷卻在PEMFC 散熱領(lǐng)域有著廣闊的前景。以低成本將高熱導(dǎo)率材料和相變材料有效集成到雙極板中將是未來(lái)的挑戰(zhàn)。