劉波，趙鋒，李驍

（武漢眾宇動力系統(tǒng)科技有限公司，湖北武漢430079）

　　摘要：介紹質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的產(chǎn)熱特性，提出進(jìn)行有效熱管理重點關(guān)注反應(yīng)區(qū)域最高溫度和溫度分布均勻性等指標(biāo)?？偨Y(jié)2種單相冷卻方式和4種相變冷卻方式的特點和進(jìn)展?？諝饫鋮s和液體冷卻方式存在溫度分布不均，影響電池性能；蒸發(fā)冷卻、流動沸騰冷卻和熱管散熱等基于相變的冷卻技術(shù)可提升電池的性能與功率密度，現(xiàn)處在研發(fā)初期。

　　質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）在車船用動力系統(tǒng)、無人機(jī)動力系統(tǒng)及便攜式電源等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景^[1]。實際運(yùn)用過程中，PEMFC的燃料約有40%～60%的化學(xué)能可以轉(zhuǎn)換為電能，其余的絕大多數(shù)能量會轉(zhuǎn)換為熱量。目前，運(yùn)用較多的低溫PEMFC的適宜工作溫度為60～80℃，溫度過高，會加速質(zhì)子交換膜和催化劑的衰減^[2]。

　　熱管理是PEMFC研究的一個重要課題。本文作者對PEMFC熱管理技術(shù)研究與運(yùn)用情況作詳細(xì)介紹與分析。

　　1 PEMFC的產(chǎn)熱特性

　　燃料電池在工作過程中熱量的來源主要有：歐姆電阻的產(chǎn)熱、反應(yīng)產(chǎn)生的水蒸氣冷凝放熱、不可逆的反應(yīng)熱量和電化學(xué)反應(yīng)的熵變^[3]。熱量中的80%～90%產(chǎn)生于陰極側(cè)催化劑層，只有約5%的廢熱能被空氣尾氣帶出電堆^[4]，即PEMFC工作時產(chǎn)生的熱量，有95%依賴于冷卻介質(zhì)帶走。

　　J.P.Owejan等^[5]發(fā)現(xiàn)：PEMFC產(chǎn)熱功率密度和有效功率密度隨著電流密度的增加而增加，當(dāng)電流密度大于一定的值時，產(chǎn)熱功率密度會高于有效功率密度。燃料電池在實際使用過程中，往往在高電流密度（≥0.8A/cm²）下工作，因此電堆通常具有較大的功率密度，產(chǎn)熱功率密度可達(dá)2.5～3.0W/cm²。燃料電池電堆持續(xù)高效率的工作依賴于高效的熱管理系統(tǒng)。一般而言，PEMFC熱管理需要考察兩個基本指標(biāo)：反應(yīng)區(qū)域最高溫度和溫度分布均勻性。

　　2單相冷卻方式

　　對于PEMFC，單相冷卻方式主要有空氣冷卻和液體冷卻等兩種類型，也是目前運(yùn)用最為廣泛的兩種冷卻技術(shù)。

　　2.1空氣冷卻

　　空氣冷卻的散熱方式多用于具有零部件少、成本低、系統(tǒng)效率高等特點的小功率（≤5kW）PEMFC系統(tǒng)中?？諝饫鋮s型燃料電池電堆有兩種結(jié)構(gòu)^[6]：①反應(yīng)空氣（或氧氣）與散熱空氣分別設(shè)有流道，反應(yīng)所需空氣可由另外的空氣輸送設(shè)備提供，也可與散熱用空氣共用空氣輸送設(shè)備；②反應(yīng)空氣（或氧氣）與散熱空氣共用流道，燃料電池工作時，經(jīng)過陰極反應(yīng)區(qū)域的空氣只有小部分起到提供反應(yīng)所需要氧氣的作用，其他部分則帶走反應(yīng)過程中生成的熱量。

　　空氣冷卻型燃料電池的以下缺陷會影響功率密度：①空氣對流換熱系數(shù)低，需要的換熱面積大；②空氣在冷卻流道進(jìn)出口溫差大，反應(yīng)區(qū)域的溫度分布不均勻，各處含水量差別大，局部電流密度分布也不均勻，影響燃料電池的整體性能^[7]；③冷卻用空氣是通過風(fēng)扇提供的，燃料電池迎風(fēng)面各處的空氣流速不一致，導(dǎo)致溫度和性能分布不均^[8]。

　　反應(yīng)空氣和散熱空氣共用流道的空氣冷卻型燃料電池電堆，在工作過程中迎風(fēng)面的溫差可達(dá)近10℃^[8]。采用該結(jié)構(gòu)的燃料電池，在高溫低濕環(huán)境下還存在水熱耦合管理的問題，而反應(yīng)空氣和散熱空氣分開設(shè)置流道，能避免此問題。

　　2.2液體冷卻

　　汽車、船舶及大型運(yùn)輸機(jī)等需要大功率（＞5kW）動力系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，對燃料電池的功率密度有更為嚴(yán)格的要求，對燃料電池環(huán)境溫度適應(yīng)性的要求也更高。液冷型燃料電池的比功率一般可達(dá)到2kW/kg，是空冷型的4～8倍，環(huán)境適應(yīng)性也比空冷型好。液體的比熱容比空氣大，采用液體冷卻方式，燃料電池的溫度分布更為均勻。

　　液體冷卻是在燃料電池陰、陽極板之間設(shè)計獨立的冷卻液流道，依靠冷卻液強(qiáng)制對流換熱，將燃料電池工作過程產(chǎn)生的熱量帶走。采用該冷卻方式的燃料電池動力系統(tǒng)，零部件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，散熱所用的附件功耗大，一般占有效輸出功率的10%左右。此外，液體冷卻還存在以下缺點：

　?、傧拗朴赑EMFC的理想工作溫度60～80℃，冷卻液流出電堆的溫度一般控制在75℃以內(nèi)，冷卻液和空氣的平均溫差小，在相同輸出功率的情況下，燃料電池冷卻系統(tǒng)中的散熱水箱體積比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的大2～4倍，給整車集成帶來很大的挑戰(zhàn)[9]；

　　②為使燃料電池電流分布一致性好，需要控制冷卻液進(jìn)出口溫差在10℃以內(nèi)，甚至要控制在5℃，要較大的冷卻液流量，而燃料電池冷卻流道尺寸較小，更大的冷卻液流量意味著冷卻液流經(jīng)燃料電池時的阻力更大，冷卻水泵的功耗也更大；

　　③燃料電池對冷卻液的離子濃度有嚴(yán)格的要求，當(dāng)離子濃度超過一定值后，會影響燃料電池的性能，甚至影響運(yùn)行安全。燃料電池冷卻液需選用去離子水或?qū)Ｓ玫姆纼鲆骸?/p>

　　為了從熱管理方面提升燃料電池的性能、延長使用壽命，人們在燃料電池極板冷卻流道結(jié)構(gòu)上開展了一系列的研究，以獲得更低的最高溫度，提高極板的溫度均勻性^[10－13]。直流道和蛇形流道是液體冷卻方式中最常用的兩種原始結(jié)構(gòu)，Y.Lasbet等^[10]通過CFD模擬得出：蛇形流道的對流交換系數(shù)是直流道的2倍。F.C.Chen等^[11]在這兩種基礎(chǔ)流道的基礎(chǔ)上，提出了5種流道結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)型蛇形流道結(jié)構(gòu)的溫度均勻性最好，最高溫度比其他幾種結(jié)構(gòu)的低。E.Alizadeh等^[12]提出了9種基于平行流道的改進(jìn)型結(jié)構(gòu)，可使燃料電池反應(yīng)區(qū)域的溫度得到均勻的分布。石墨材質(zhì)的極板因加工工藝的局限，冷卻液在流道內(nèi)一般為二維流動。隨著極板設(shè)計能力和加工工藝水平的提高，采用沖壓工藝成型的極板，可使冷卻液在流道中呈三維流動，具有比二維流動更高的強(qiáng)制對流換熱系數(shù)，可提高燃料電池電堆的功率密度。

　　N.Satio等^[14]分析了本田Clarity汽車的液冷式燃料電池冷卻液的流道形式，發(fā)現(xiàn)流道呈復(fù)雜交錯的三維形式。W.K.Li等^[15]采用實驗和模擬的手段，得出底部呈波浪狀的蛇形流道比傳統(tǒng)的蛇形流道，最大能將電池的功率密度提升17.8%。在今后的研究中，三維冷卻流道的設(shè)計與運(yùn)用將會越來越廣泛。

　　3相變冷卻方式

　　單相冷卻方式是利用冷卻介質(zhì)的顯熱帶走燃料電池工作過程產(chǎn)生的熱量；而相變冷卻方式則是利用物體相變時會吸收大量的熱量的特性來對熱源進(jìn)行冷卻。常用的相變冷卻有蒸發(fā)、流動沸騰、熱管散熱和相變材料等4種。

　　3.1蒸發(fā)冷卻

　　蒸發(fā)冷卻是指冷卻液在低于沸點的條件下從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，帶走熱源熱量的冷卻方式。一般而言，燃料電池的蒸發(fā)冷卻是將冷卻液和空氣一起從陰極側(cè)進(jìn)入系統(tǒng)。冷卻液可以加濕空氣，提升質(zhì)子交換膜含水量，提升燃料電池性能；同時，很大一部分的冷卻液會被空氣帶入反應(yīng)熱源核心區(qū)域被蒸發(fā)掉，帶走反應(yīng)中生成的熱量，使反應(yīng)區(qū)域保持合適的溫度。綜上所述，蒸發(fā)冷卻中一般選用去離子水為冷卻液。蒸發(fā)冷卻的燃料電池系統(tǒng)無需加濕器，由于蒸發(fā)和冷凝換熱比單相對流換熱更高效，可大幅度降低冷卻水泵的負(fù)荷，散熱器的體積也會小很多。

　　D.L.Wood等^[16]在交錯型流場板結(jié)構(gòu)的PEMFC中，研究液態(tài)水直接注入陰極或陽極對電池性能的影響，發(fā)現(xiàn)注入的液態(tài)水能在很大程度上起到散熱的作用。S.H.Hwang等^[17]設(shè)計了一種陰極側(cè)霧化器-空氣補(bǔ)給管組件，發(fā)現(xiàn)在加濕空氣相對濕度和流速一定的條件下，改變注入冷卻水的流量，燃料電池性能得到提升。這主要是由于注入的水會進(jìn)一步加濕空氣；當(dāng)燃料電池電流密度提升至1.2A/cm²時，通過增加冷卻水注入流量，可在70℃下正常運(yùn)行。

　　P.Adcock等^[18]采用此技術(shù)路線，為PSA公司設(shè)計了適用于燃料電池-電池混合動力汽車用的燃料電池動力系統(tǒng)，凈輸出功率為10kW。Intelligent Energy公司開發(fā)了額定功率為100kW的燃料電池單元，功率密度達(dá)3.5kW/L^[19]，證明了該技術(shù)在燃料電池?zé)峁芾碇械目尚行院透咝浴?/p>

　　3.2流動沸騰冷卻

　　流動沸騰冷卻是指冷卻液在達(dá)到沸點的條件下從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，帶走熱源熱量的冷卻方式。流動沸騰冷卻過程中，冷卻液的溫度恒定在沸點不變，可滿足燃料電池反應(yīng)區(qū)域均溫性的要求。與傳統(tǒng)液體冷卻方式類似，該冷卻方式需要設(shè)計獨立的冷卻液流道。目前，PEMFC的適宜工作溫度不超過80℃，因此冷卻液不能用去離子水或乙二醇水溶液，需要選用具有低沸點、高汽化潛熱及凝點低等特點的液體。P.T.Garrity等^[20]采用沸點為61℃的甲基九氟丁醚（HFE-7100），并針對燃料電池設(shè)計了一種微通道冷卻板結(jié)構(gòu)，通過實驗測得散熱能力能達(dá)到3.2W/cm²。U.Soupremanien等^[21]使用五氟丁烷（HFC-365mfc）和十氟戊烷（HFC-4310mee）的混合物，發(fā)現(xiàn)在相同流動阻力下，流動沸騰帶走熱量的能力是單相換熱的2～3倍；最大臨界熱流密度可達(dá)到7.7W/cm²。

　　流動沸騰冷卻在制冷、電子設(shè)備及航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，在燃料電池領(lǐng)域的應(yīng)用值得進(jìn)一步研究，尤其是當(dāng)高溫PEMFC的技術(shù)成熟之后。

　　3.3熱管散熱技術(shù)

　　熱管散熱主要依賴于蒸發(fā)段的液體汽化，將熱量轉(zhuǎn)移到冷凝段，然后從冷凝段散出到外界。熱管的材質(zhì)一般為銅或鋁合金，能保證熱源面溫度保持較好的均布性。另外，冷卻液在熱管內(nèi)的循環(huán)不依賴于外界動力元件。

　　目前，該技術(shù)在燃料電池中的應(yīng)用仍然處于實驗階段。M.V.Oro等^[22]將熱管集成于燃料電池中，測得的散熱能力可達(dá)到1.8W/cm²。A.P.Silva等^[23]將毛細(xì)管抽吸兩相流體回路（CPL）與熱管結(jié)合，熱管蒸發(fā)段置于燃料電池外部，工作時，熱管先將熱量傳導(dǎo)至燃料電池外部，冷凝段和CPL的蒸發(fā)段接觸，熱量傳導(dǎo)給CPL，最后由CPL的冷凝段散掉。實驗中，可將凈輸出功率為50W的燃料電池電堆溫度控制在合理范圍。

　　熱管散熱技術(shù)在燃料電池領(lǐng)域的應(yīng)用研究剛起步，需要進(jìn)一步研發(fā)，將熱管散熱技術(shù)與燃料電池有效地結(jié)合。

　　3.4相變材料散熱技術(shù)

　　近幾年，相變材料（PCM）散熱技術(shù)倍受關(guān)注，它是利用材料發(fā)生相變時的潛熱帶走熱源熱量。相變材料在燃料電池方面的應(yīng)用研究極少，在其他領(lǐng)域的應(yīng)用大多數(shù)也處于初期階段。相變材料運(yùn)用熱管理領(lǐng)域具有溫度分布均勻、節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡單和維護(hù)成本低等優(yōu)點^[24－25]。

　　陳思彤等^[26]提出大功率燃料電池產(chǎn)熱量多、運(yùn)行時間長、結(jié)構(gòu)緊湊，直接用相變材料給燃料電池電堆散熱帶來諸多挑戰(zhàn)。葉鋒等^[27]提出可將相變材料的儲能功能運(yùn)用于熱管理系統(tǒng)中，提高能源利用率。按此思路，A.P.Sasmito等[28]提出低溫條件下（低于0℃），采用相變材料和絕熱材料將燃料電池動力系統(tǒng)包覆，可延長電堆在停止運(yùn)行后溫度降到低于0℃的時間，縮短了燃料電池在低溫條件下的冷啟動時間。遺憾的是，他們僅運(yùn)用模擬的手段對此方案進(jìn)行分析。

　　燃料電池電堆內(nèi)部空間狹窄，依賴相變材料帶走反應(yīng)過程生成的熱量，不是特別的有意義，但A.P.Sasmito等^[28]提出的將相變材料用于燃料電池電堆的保溫，利用相變材料對燃料電池的廢熱進(jìn)行回收利用，將是一個值得研究的方向。

　　4結(jié)語與展望

　　熱管理技術(shù)的進(jìn)展對燃料電池的發(fā)展起著非常重要的作用，影響燃料電池的效率、壽命和安全等。

　　本文作者分析了各種散熱技術(shù)在燃料電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，單相冷卻依舊是目前燃料電池領(lǐng)域運(yùn)用得最為廣泛的技術(shù)，但基于相變冷卻的熱管理技術(shù)在燃料電池的熱管理領(lǐng)域有著非常重要的意義和前景，值得相關(guān)從業(yè)者去研究。

　　另外，研究能耐更高溫度的PEMFC是一個非常有意義的方向，它對于燃料電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的發(fā)展也會有著很大的影響。