熱管在燃料電池熱管理中的應用

【摘" 要】質子交換膜燃料電池（PEMFC）采用風冷、液冷等熱管理技術，可有效傳遞電池多余熱量。但是，需要輔助工作來驅動流體的流動，這無疑降低了電池的總功率。脈動熱管（PHP）作為一種新型散熱裝置，由于其緊湊性，快速傳熱，并且沒有輔助工作支持，可以在PEMFC中提供有效的熱管理。

【關鍵詞】質子交換膜燃料電池；熱管理；熱管

中圖分類號：U463.633" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2022 ）12-0010-03

Application of Heat Pipe in Fuel Cell Thermal Management

LIU Xiao-feng

（China National Heavy Duty Truck Group Research Institute，Jinan 250101，China）

【Abstract】Proton exchange membrane fuel cell（PEMFC）adopts thermal management such as air cooling and liquid cooling techniques，which can effectively transfer the excessive heat from the cell. However，auxiliary work is needed to drive the flow of fluid，which undoubtedly reduces the total power of the battery. The pulsating heat pipe（PHP）as a novel heat dissipation device can provide perfect thermal management in the PEMFC because of its compactness，fast heat transfer，and devoid of auxiliary work support.

【Key words】PEM fuel cell；thermal management；pulsating heat pipe

1" 前言

質子交換膜燃料電池（PEMFC）具有工作溫度低、功率密度高、啟動快、瞬態能力和低排放等優點，被認為是下一代運輸、固定、輔助和便攜式應用最有希望的候選者[1-2]。盡管對燃料電池進行了廣泛的研究和進展，但其商業化仍然存在一些技術障礙，特別是在其耐用性和成本方面。由于電化學反應和電阻，燃料電池堆中會產生大量的熱量，產生的熱量與電功率輸出幾乎相當，所以應進行有效的熱管理以避免組件過熱，并保證當前PEMFC的有利工作溫度范圍（通常在60～80℃）。燃料電池堆內不正確的熱管理和不均勻的溫度分布可能導致電解質干燥（全局或局部）或電極泛濫，這都會降低燃料電池性能[3]。另一方面，與內燃機相比，PEMFC與環境溫度之間的溫差非常小，因此，對PEMFC電池組進行適當的熱管理是非常具有挑戰性的，特別是在需要具有高功率輸出和高功率密度的電堆汽車應用中。

商用PEMFC冷卻通常通過空氣或水的強制對流來執行，但是，采用的風冷方法消耗了電池電能的很大一部分，并降低了電動汽車的總里程[4]。例如，豐田采用風扇強制對流冷卻進行熱管理，利用約40%的電池能量。在大功率PEMFC電堆中，由于傳熱系數高，液體冷卻方法應用最為廣泛，到目前為止，通過設計冷卻液流場參數[5-6]、冷卻通道幾何形狀[7]、開發替代冷卻劑和冷卻系統進行了大量工作，通過最小的額外能量損失和整個電池的均勻溫度分布來實現。隨著技術的進步，PEMFC逐漸小型化和集中化，同時可以實現更高的功率密度，因此，傳統的冷卻方式已不能滿足需求，開發和設計一種更有效的冷卻方法已成為國內外學術領域的研究熱點。

由于高導熱性和沒有額外的功率輸入，即使橫截面積很小，熱管也可以在相當長的距離內傳遞大量熱量，熱管允許有效和及時地將電池組內產生的熱量傳遞到環境中，或利用燃料電池產生的廢熱。脈動熱管（PHP）具有體積小、質量輕、有效導熱性好、熱梯度低等優點。PHP的使用通過避免局部溫度的缺點，允許在PEMFC中更均勻的溫度分布，并最終提高其性能。

2" PEMFC熱分析

2.1" PEMFC結構

PEMFC的結構如圖1所示，它由雙極板和膜電極組成。雙極板組裝在膜電極的兩側，為電化學反應提供氣態反應物。膜電極由兩個氣體擴散層、兩個催化層和一個質子交換膜組成。

2.2" PEMFC工作原理

氫氣和氧氣（空氣）分別輸送到陽極和陰極。在陽極電極（CL）處，氫被氧化并分為質子和電子。質子通過PEM到達陰極，而電子通過外部電路從陽極傳導到陰極。在陰極電極上，氧氣通過GDL/MPL從流場擴散到電極，其中電子和質子與溶解的氧化劑（氧氣）結合產生水和熱量。燃料電池的基本電化學反應如下。

陽極電極中發生的氫氧化反應：H2→2H-+2e-

陰極電極中發生的氧還原反應：O2+2H-+2e-→H2O

總體反應：H2+O2→2H2O+電能+熱量

2.3" PEMFC產熱

燃料電池的能量轉換效率約為50%，這表明近一半的能量將在運行過程中以熱量的形式釋放出來。燃料電池的主要熱源是反應的熵熱（占總熱量的30%），電化學反應的不可逆熱（占總熱量的60%），歐姆電阻的焦耳熱（占總熱量的10%）和水相變潛熱。PEMFC中的能量流動如圖2所示。

燃料電池堆中產生的熱量可以通過將工作電壓與熱中性電壓或單個電池的熱電壓進行比較來確定，表示如下：

Q=（Eth-Vcell）·i·Acell

式中：Q——發熱速率；Eth——燃料電池的熱中性電壓，它表示假設燃料電池的傳輸效率達到100%的情況下單個電池的最大電壓；Vcell——工作電壓；i——電流密度；Acell——單個電池活動區域。

3" 脈動熱管工作原理

傳統熱管由具有吸液芯結構的密封管制成，將其抽真空后注入工作介質，在蒸發端的熱量輸入作用下，工質受熱蒸發，由于微小壓差作用，蒸汽到達冷凝端，并在冷凝端凝結為液態，在吸液芯結構提供的毛細力作用下，冷凝后的流體回流蒸發端，實現工質的循環流動。熱管內的兩相循環流動為其提供了良好的導熱性能。

與傳統熱管不同，作為一種新型的熱管，脈動熱管（簡稱PHP或OHP）是依靠內部工質汽液相變來實現較大熱流密度傳輸的高導熱器件，最早由日本學者Akachi在20世紀90年代提出。

脈動熱管的工作機理主要是利用管中工質形成的汽液塞，由于熱量輸入發生相變，引起內部壓力變化，進而導致管內工質進行無規則地振蕩流動，實現熱量傳遞。圖3詳細描述了閉合回路脈動熱管工作原理。脈動熱管由一根毛細管折彎而形成蛇形回路結構，根據熱量邊界不同分為蒸發端、冷凝端和絕熱端3部分。通過充液口向內部為真空狀態的脈動熱管充注工質，根據毛細管原理，液體工質、壁面的摩擦力和表面張力與其重力相平衡，從而使得汽液塞在管道內部相間分布。隨著脈動熱管的蒸發端熱量輸入，管內工質吸熱蒸發產生汽泡，并在內部壓力作用下逐漸成長形成汽塞。隨著汽塞壓力進一步上升并到達一定值后，能夠克服液塞的重力和摩擦阻力，推動相鄰液塞移向冷凝端，從而實現熱量傳遞。而當汽液塞到達冷凝端，汽塞冷凝，釋放大量潛熱，同時液塞工質的溫度也因熱量釋放而降低。最終，工質在熱驅動力、表面張力、毛細阻力以及重力的共同作用下實現脈動循環流動。

目前，大多數研究機構對水、甲醇、乙醇、丙酮和沸騰不混溶性工作流體等工作流體進行了較多的實驗和模擬。通常，醇具有相對較低的沸點和相對較高的汽化潛熱以及飽和壓力梯度與溫度的比率，適用于PHP的快速啟動特性。在高加熱功率條件下，具有混合物的PHP可以快速啟動并實現穩定的單向脈動循環。而納米流體具有優異的物理性質，對于克服毛細管回流和促進流體的循環和振蕩具有重要意義。

4" 結論

由PHP冷卻的PEMFC電堆配置如下：堆棧中有5個電池單元和PHP。每個電池單元都夾在兩個脈動熱管之間（單個電池由C1-C5表示），如圖4所示。完整的電池單元由陽極流板（AFP）、陰極流板（CFP）和膜電極組件（MEA）組成。MEA包括膜、陽極催化劑層（ACL）、陽極氣體擴散層（AGDL）、陰極催化劑層（CCL）、陰極氣體擴散層（CGDL）。它是PEMFC和FPHP的可行組合之一。

綜上所述，PHP具有體積小、質量輕、有效導熱性好、熱梯度低等優點。PHP的使用通過避免局部溫度的缺點，允許在PEMFC中更均勻的溫度分布，并最終提高其性能。含有納米流體的脈動熱管作為一種新型散熱裝置對改善PEMFC的熱管理具有潛在價值。

參考文獻：

[1] A.M.Lopez-Sabir on，J. Barroso，V. Roda，J，et al[J]. Hydrogen Energy，37（2012）：7289-7298.

[2] S. Kang，K. Min，F. Mueller，et al[J]. Hydrogen Energy，34（2009）：6749-6764.

[3] S.G. Kandlikar，Z. Lu，Appl. Therm[J]. Eng，29（2009）：1276-1280.

[4] Sohn Y-J，Park G-G，Yang T-H，et al. Operating characteristics of an air-cooling PEMFC for portable applications[J]. J Power Sources，2005，145（2）：604-9.

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[6] Santarelli MG，Torchio MF. Experimental analysis of the effects of the operating variables on the performance of a single PEMFC[J]. Energy Convers Manage，2006，48（1）：40–51.

[7] 曲捷. 三維脈動熱管傳熱與流動特性研究[D]. 中國礦業大學，2021.

（編輯" 楊" 景）