許懿婧，楊國剛，萇國強

(大連海事大學輪機工程學院，遼寧大連 116026)

隨著化石能源的消耗和全球溫室效應的加劇，清潔能源技術的發(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、轉換效率高、工作噪聲低、高負荷狀態(tài)下啟動快等優(yōu)勢，迅速成為新能源技術研究的一大熱點方向。但是PEMFC 的商業(yè)化卻頻頻受阻，其關鍵問題是電池內(nèi)部需有液態(tài)水來促進質(zhì)子傳遞，這意味著電堆溫度必須保持在水的沸點以下來確保高效率。散熱不良則會導致質(zhì)子交換膜干燥，從而使質(zhì)子傳遞受限，嚴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)勢和局限性。本文旨在通過對已報道的冷卻方法進行概述，為PEMFC 冷卻策略的未來發(fā)展提供借鑒。

1 PEMFC 的產(chǎn)熱機理

PEMFC 內(nèi)部反應原理簡單(見圖1)，氫流經(jīng)陽極進氣通道和擴散層，最終到達催化層，根據(jù)化學表達式(1)氧化成電子和質(zhì)子：

圖1 PEMFC 內(nèi)的化學反應

釋放的電子通過陽極催化層最終到達陰極,質(zhì)子通過膜傳遞到陰極催化層。然后氧氣通過陰極擴散層擴散到催化層，在那里它與質(zhì)子和電子反應生成水，如式(2)所示:

總的反應方程式為：

PEMFC 的熱產(chǎn)生包括電化學反應的熵熱，不可逆反應熱，歐姆電阻熱，以及水蒸氣冷凝產(chǎn)生的熱量,其中熵熱和不可逆反應熱分別占55%和10%，歐姆電阻熱占5%[1]。熵熱是反應物總化學能與熱力學第二定律最大有用能之間的差額。不可逆反應熱來自PEMFC 中的不可逆電化學反應,在陽極和陰極的兩個電極反應都會產(chǎn)生熱量。歐姆熱的發(fā)生是因為離子流阻力和電子對PEMFC 內(nèi)部組件的流阻力是導電的。

一般情況下，電堆內(nèi)的能量平衡應考慮氣體的焓以及剩余的熱量耗散：

式中：Qin為反應氣體的焓；Qout為未反應氣體的焓；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 陰極上的反應是放熱的，熱量釋放取決于電壓，作為電化學反應副產(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，甚至會導致質(zhì)子交換膜的破裂和損壞[2]。燃料電池功率、方法復雜性和成本決定了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[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)結構如圖2 所示，它使用空氣作為冷卻劑來傳遞熱量，與需要較多輔助設備的水冷系統(tǒng)不同，沒有冷卻回路和熱交換器，只需要風機進行空氣循環(huán)?？諝饫鋮s方法使系統(tǒng)結構得到簡化，減少了PEMFC 的體積和成本，降低了控制的復雜性。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，并簡化了系統(tǒng)集成[4]。

圖2 空氣冷卻系統(tǒng)結構圖

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扇直接進行冷卻。Sasmito 等[5]建立了一種風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器，增加了陰極通道內(nèi)氣流的湍流強度，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，又作為反應物，在應用上更有前景。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。Lee 等[6]設計了一種新型空冷PEMFC 陰極流場，反應空氣和冷卻空氣從不同流道進入，且冷卻流道入口面積大于反應流道入口面積。數(shù)值模擬分析表明，這種陰極流場的傳熱特性較好。

3 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，進行遠距離傳輸散熱。

3.1 散熱器冷卻

Sabbah 等[7]比較了動力系統(tǒng)控制模塊被動冷卻和主動(強制空氣)冷卻在電池熱管理方面的效果，發(fā)現(xiàn)在大放電率和高工作或環(huán)境溫度下，被動冷卻系統(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扇功率消耗。散熱器被用作冷卻燃料電池的方法，為了實現(xiàn)高傳熱率，使用高導熱率的材料至關重要[8]。在Wen 等[9]進行的一項研究中，熱解石墨板被用作散熱器，兩個小風扇用于強制對流(見圖3)，研究結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。

圖3 PEM電池組散熱布置圖[9]

3.2 熱管冷卻

高溫熱管通常使用液態(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遠的距離上[10]。設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[11]設計了由長46.80 cm，寬14.70 cm，厚0.3175 cm 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[12]研究了裝配有熱管的金屬氫化物儲罐與PEMFC 的組合分析，結果表明使用4 條熱管覆蓋10 條散熱片，可實現(xiàn)2.5×106Pa 氫氣的解吸過程的最佳性能。

4 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，眾多學者在此方面做了大量工作。

傳統(tǒng)的冷卻劑主要由基礎流體組成，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[13]。在基礎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，為強化冷卻技術帶來了新的機遇。程亮等[14]驗證了納米流體在PEMFC 冷卻系統(tǒng)中的應用潛力，發(fā)現(xiàn)使用平均0.5%(體積分數(shù))的ZnO 納米流體相比于標準傳熱流體，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流體來觀察納米流體與傳熱增強和流體流動的影響，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。

人們在改善雙極板的流場結構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，通過增加溫差，即可獲得更高的傳熱速率。Beak 等[17]通過數(shù)值模擬研究18 cm2大尺寸冷卻板的冷卻性能，測試了六個不同的平行流場，結果發(fā)現(xiàn)平行直流場壓降最小，即溫度均勻性最差；傳統(tǒng)平行蛇形流場冷卻效果稍差；由不同路徑長度蛇形管道構成的多程蛇形流場具有最好的冷卻性能。除了傳統(tǒng)的平行流場之外，研究者們還提出了蛇形流場、交錯流場等新型流場，如網(wǎng)格流場、葉柵流場、分形流場、仿生學流場組合設計[18]。Rahgoshay等[19]研究發(fā)現(xiàn)蛇形結構的均勻溫度指數(shù)比平行型高24%，由于平行結構中冷卻液流動分布較差，蛇形構型與平行構型相比性能更有效。

5 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。

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)部反應產(chǎn)生水，同時水能被用于對反應氣體進行濕化，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)冷卻技術的驗證模型，并用于研究電池堆溫度動態(tài)變化。模擬結果表明蒸發(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)更簡單。前人已經(jīng)對濕化和注水蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)進行了大量深入的研究，很難同時處理濕化和蒸發(fā)冷卻的問題。Seong 等[21]設計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)，并對其性能進行了實驗研究。該系統(tǒng)采用直接注水的方法只用一個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到沸點的條件下從液態(tài)轉變?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，被廣泛應用于計算機芯片、激光二極管和其他電子設備和元件[22]。這種方法也可以應用于PEMFC 的冷卻，Yan 等[23]結合相變冷卻的數(shù)值模型，將相變冷卻與傳統(tǒng)方法(即風冷和水冷)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。

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 兩相冷卻法的實驗研究。Jung 等[24]通過在不同的燃料電池運行條件下的實驗，檢測不同熱量、質(zhì)量和冷卻劑壓力條件下壁溫度的冷卻性能及其對燃料電池性能的影響，并與傳統(tǒng)的水冷卻系統(tǒng)的結果相比較，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。相變冷卻技術緩解了能源供應雙方的時間、強度和地點之間的不匹配，在未來燃料電池熱管理中具有廣闊的發(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，被廣泛應用在工作溫度為60～80 ℃的PEMFC 中[25]。

相變材料熱導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合作為被動熱源的“保溫法”的創(chuàng)新設計理念，這種設計有望減少絕緣體厚度和外部主動加熱設備，從而降低復雜性和成本。

6 總結與展望

本文作者對冷卻PEMFC 中的各種應用方法進行了綜述和比較，給出了每種方法的優(yōu)缺點。結果表明：

（1）空氣冷卻方法結構簡單、循環(huán)功耗低，控制系統(tǒng)內(nèi)的流道設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）被動冷卻方法不需要外部設備和管道，對材料的熱導率有極高的要求，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，所需設備尺寸大，冷卻系統(tǒng)的配置對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，應用受到限制。

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