均温板在质子交换膜燃料电池堆热管理中的应用

柏兴应 简弃非 罗立中 赵晶 黄碧

(华南理工大学 机械与汽车工程学院,广东 广州 510640)

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种新型的能量转换装置，由于其具备能量转换效率高、运行温度低、能够快速启停、燃料来源广、零排放无污染等优点，而被视为航空航天、汽车运输、发电系统等领域的未来动力源[1- 2]。但质子交换膜燃料电池在高效转化能量的同时也伴随着巨大的产热量，如果热量无法有效移除，过高的温度将会影响燃料电池的输出性能，甚至破坏燃料电池部件造成不可逆损坏[3]。因此，质子交换膜燃料电池的有效热管理成为了当今学界的热门课题之一，许多专家学者围绕燃料电池的热管理策略开展了大量研究。

合理的热管理策略是质子交换膜燃料电池具有良好输出性能的关键。液体冷却和空气冷却是目前最常用的两种冷却方法[4]，通过水泵或空压机驱动冷却工质在双极板间的冷却通道流动，带走电化学反应产生的热量。这两种方式虽能有效散热，但同时也带来了额外的功率损失，还增加了系统的复杂性。而基于相变传热原理的热管技术，结构简单、散热效率高且无附加动力源，极大降低了PEMFC系统的制造成本。Anggito等[5]利用热管技术，将PEMFC电池堆的产热与金属储氢进行热耦合，实现了电池堆余热的再利用，但储氢器吸收供氢所需热量后，电池堆大部分产热仍需另设冷却系统散热。Paula等[6]设计了一种用泵辅助毛细回路和热管结合的两相换热，来替代低效的单相气液散热作为燃料电池堆的冷热管理方案，发现两相换热组合系统能将电池堆加热并维持在70～90 ℃的区间内。Navid等[7]运用数值模拟结合实验的方法探究了热管在PEMFC冷却中的应用，发现将电池堆温度控制在60～80 ℃的理想范围内时，液冷所需热管数量最少，冷却耗功也最低。Amir等[8]设计了一种带孔的双极板将热管集成到甲醇燃料电池中，结果表明基于热管散热的直接甲醇燃料电池可稳定运行。许多相关学者也做了类似研究，但大多数研究并未将热管集成到实际的燃料电池堆中，而是基于数值仿真或利用加热片加热石墨板模拟燃料电池堆产热，忽略了质子交换膜燃料电池在运行过程中不同区域产热不同的实际情况。本研究提出了将高效换热的均温板应用于质子交换膜燃料电池热管理的想法并成功将其集成到实际的质子交换膜燃料电池堆中，通过实验探究了该电池堆的产热量、温度分布及输出性能在不同负载工况下的变化，实验结果可为燃料电池热管理策略的研究提供重要参考。

1 均温双极板结构

1.1 均温板结构

均温板一般由外壳、毛细芯、支撑柱、传热工质和蒸汽腔组成，其几何结构模型如图1所示。均温板工作原理与热管相变传热原理相同，板内液态工质在蒸发端受热汽化，腔内压差驱动蒸汽向冷凝端移动，气态工质遇冷液化并释放热量，冷凝液体则在烧结芯毛细作用下回流至蒸发端再次汽化循环。与热管圆柱状结构不同，均温板呈薄扁板状，其蒸发端上下两面可最大程度地与热源平面贴合，将热量迅速传递到大面积散热面上进行冷却，有效避免了局部过热现象的发生。在实际加工过程中，板体长度为276 mm，宽度为110 mm，厚度为1.5 mm，其中上下层板壳壁厚0.2 mm，腔内两面毛细芯厚0.4 mm[9]，蒸汽通道高0.3 mm，支撑柱直径为1.5 mm，按照3.8 mm×3.8 mm间距布置如图2所示。支撑柱与毛细芯均采用铜粉烧结，均匀分布的小直径支撑柱在单电池层叠组成PEMFC电池堆时，可有效防止应力作用和内外压差破坏，保证均温板平整性，同时可增大支撑柱间距以减少板体传热热阻[10]。装配完成后，对均温板抽真空并充入7.3 g去离子水作为工作介质。

图1 均温板工作原理模型

图2 均温板剖面结构及局部支撑柱

1.2 双极板流场结构及测点布置

实验在一个包含5个单电池的质子交换膜燃料电池堆中进行，以石墨板作为燃料电池的极板，反应气体在阴阳两极以多路蛇形的方式流动，流场结构如图3所示。阴极是电池堆内电化学反应释放热量的主要区域，为了准确测量单电池内的温度变化而将热电偶温度测点布置在阴极板中。本实验采用的是当量直径为1 mm的K型热电偶(Omega GG-K-30)，通过密封涂胶的方式固定安装在阴极板中。考虑热电偶安装对电池堆性能的影响与测量准确性之间的均衡，将阴极板沿气体进口到气体出口的流场等分为8个区域，并以1-1—1-4、2-1—2-4编号标记，如图3(b)所示。在每个区域的中央，以距极板边界17.5 mm和8.5 mm的深度，将2个热电偶并排嵌入预留的沟槽中，以实时监测单电池的内部区域温度。

图3 阴、阳极石墨板流场结构

表1示出了实验所用质子交换膜燃料电池单元相关部件结构的几何参数。各部件加工完成后，将阴、阳极石墨板以热压涂胶的方式分别组装到均温板蒸发端的两侧，构成均温双极板,如图4所示。将质子交换膜与涂有催化剂的碳纸热压成有效面积为80 cm2的膜电极组件，阳极的Pt负载量为0.27 mg/cm2，阴极的Pt负载量为0.53 mg/cm2。图5示出了5个膜电极组件与6块均温双极板相间堆叠，组成包含5个单电池的质子交换膜燃料电池堆。电池堆通过两侧集电极输出电压，并将均温双极板冷凝端同侧排列以保证各单电池散热均匀。

2 实验测试原理与系统设置

质子交换膜燃料电池堆的实验测试系统如图6所示，在阴阳两极分别通入空气、氢气，其中纯度为99.999%的氢气由高压气罐提供，通过降压阀调节进气压力为0.06 MPa，进气温度为27～28 ℃。空气则由空压机(DT550W-30L,DAERTUO)以60 L/min的流速泵入，进气压力为0.12 MPa，进气温度27～30 ℃，相对湿度为75%～80%，两种反应气体在实验过程中均不预热或加湿。此外，为保证阳极燃料的充分利用和均匀分布，在氢气排气口设置单片机控制的电磁阀，使阳极为闭端，在每30 s的循环周期后连续排气0.5 s。为了及时排除反应生成的水，阴极气体出口为常开状态。将电子负载连接到燃料电池堆两端的集电极上，通过改变加载电流实现不同的运行工况。运行时，燃料电池堆各单电池的产热传入均温双极板蒸发端，驱动工质将热量带到冷凝端，再通过风扇以强制对流的方式换热冷却。冷却风扇以3.48 W的功率运行，数据采集仪每0.5 s记录一次堆中的电压和温度，最后汇集到计算机中通过操作软件实时监测燃料电池堆的运行状态。主要仪器的工作精度见表2。

表1 质子交换膜燃料电池几何参数

图4 均温双极板结构

图5 含均温双极板的质子交换膜燃料电池堆

图6 实验系统示意图

表2 仪器测量精度

将质子交换膜燃料电池堆阳极朝上阴极朝下水平放置，为便于实验记录分析，将阴极板安装有热电偶的单电池从上到下依次记为Cell 1、Cell 2、Cell 3、Cell 4、Cell 5。实验开始前，将质子交换膜燃料电池堆充分活化3 h。实验时先将电池堆在开路状态下运行4 min以保证系统性能参数的相对稳定，然后通过电子负载将燃料电池堆从1 A均匀加载至8 A，在每个电流负载状态运行10 min以使电池堆在下一个阶跃变化前达到相对平衡。

3 实验数据处理及分析

在运行期间，质子交换膜燃料电池除了产生电能还会释放大量的热量。由文献[11]可知电池堆产热率Qgen的计算定义如下：

(1)

其中:ncell为单电池个数，本实验所用质子交换膜燃料电池堆ncell=5；热平衡电势Vte=1.482 V；Vcell x为电子负载电流为I时单电池x的电压。电池堆电压及产热率与电流关系如图7所示，质子交换膜燃料电池堆产热率随着负载电流的增大而线性增加，当加载至8 A时产热率最大为50.6 W。同时可以观察到，在电流为8 A时，燃料电池堆总电压Vs为3.4 V，各单电池平均输出电压为0.68 V，说明在电池堆产热快速增加时，单电池仍具有良好的输出性能。此外，从电池堆总电压Vs的变化趋势可以看出，当电流接近8 A时，极化曲线的斜率变化较小，表明即使进一步增大电流，电池堆的极化损耗也不会很大。同时也说明了PEMFC在与均温板堆叠而成的电池堆中可以正常运行。

图7 电池堆极化曲线及电池堆产热率与电流变化关系

3.1 温度均匀性

电池堆内各单电池的温度分布特性存在差异，而将均温板与阴阳极石墨板组成的均温双极板集成到5块单电池中，保证了燃料电池堆内温度分布的稳定均匀。引入温度均匀性指数(TUI)来评估PEMFC电池堆的温度分布特性，其定义如下[12- 13]：

(2)

其中，tlocal为局部区域温度，tave为平均温度，A为有效反应面积。

当电池具有较高的TUI时，说明其温度分布不均匀，反之较低的TUI则表明电池内温度分布均一性较好。研究中为综合考虑各热电偶测点所反映的单电池局部区域温度特性，将式(2)改写为

(3)

式中：ti, j为对应电池区域(见图3(b))的温度，tavg为单电池平均温度；ntc为单电池纵向和横向的热电偶测点数量乘积，N=2，M=4，ntc=N×M=8。

类似地，为表征整个电池堆的温度分布特性，将式(2)改写为

(4)

其中，tk为各单电池局部测点的温度，tavg,stack为整个电池堆平均温度。

图8示出了各单电池TUI随电流的变化趋势，在初始阶段各单电池TUI均为0.3左右，说明小电流密度时电池堆燃料气体供给充足，各单电池运行正常，温度均匀性好。而随着负载电流的逐渐增大，不同单电池的温度分布差异性更加明显。从2 A开始，电池堆上层的Cell 1、Cell 2 TUI偏高，而下层的Cell 3、Cell 4、Cell 5 TUI偏低，可能是由于Cell 1、Cell 2位于电池堆上层，相对更靠近电池堆的进排气口，进气温度较低，加上电磁阀的排气作用周期使燃料气体的供给和排放振荡波动，燃料气体分布不均匀导致TUI高，温度均匀性差，其中最接近进排气口的Cell 1最为明显。而在1～8 A的低负载电流下，电池堆尚未出现水淹，位于电池堆下层的Cell 3、Cell 4、Cell 5燃料供应相对稳定充足，扰动少，随着负载电流的增大，温度分布具有趋于稳定的趋势。与上层两块单电池相比，在同等散热能力的均温板作用下，下层3块单电池的温度均匀性更好。整个加载过程中，下层各单电池TUI均保持在0.8以下，在8 A时整个电池堆中Cell 4 TUI最低，仅为0.62。

5块单电池在2、4、6、8 A时的平面温度分布云图如图9所示。2 A时各单电池温度分布较均匀，单电池TUI均在0.5以内，无明显温度波动。从整个电池堆来看，2 A时Cell 4靠空气出口处(X=214 mm，Y=33 mm)有最高温度36.2 ℃;最低温度34.9 ℃则出现在Cell 1空气进口区域(X=0 mm，Y=10 mm)，堆内各单电池间最大温差Δtstack为1.3 ℃(见表3)，此时的电池堆TUI也仅为0.34。而随着电流的不断增大，在4、6、8 A的温度分布云图中，可以明显地发现在各单电池0 mm≤X≤67.75 mm的电池堆进气区域出现了不同程度的温度波动。尤其是8 A时，Cell 1、Cell 2以及Cell 3的进气区域出现了局部低温，其中Cell 1进气区域温度为整个电池堆最低，仅为44.3 ℃，温度波动最为明显。这是因为阴极空气的进气温度仅为环境温度，在加载过程中基本保持不变，而各单电池的流场区域(0 mm≤X≤214 mm)随着加载电流的增大，产热增加，温度升高，导致堆内最大温差Δtstack及TUIstack逐渐增大(如表3所示)，温度均匀性变差。并且进口处的大流速带走了较多热量，加剧了Cell 1进口区域的低温波动。这一结果与图8中Cell 1 TUI最大相符合，说明空气的进气温度会影响单电池的平面温度分布，越靠近进气口，扰动影响越大。忽略受进气温度影响的进口区域，各单电池的中尾部区域(67.75 mm≤X≤214 mm)温度分布均匀，未出现明显温度波动，说明在电池堆中均温板能促进各单电池温度分布的一致性。此外，在电流逐步加载的过程中，整个电池堆的最高温度均出现在Cell 4尾部的排气区域(146.25 mm≤X≤214 mm)，并且位于电池堆下层的单电池Cell 3、Cell 4、Cell 5温度明显高于上层的单电池Cell 1、Cell 2，说明PEMFC堆内的燃料供给以及散热排水还受到重力的影响，这一观点已被其他研究证实[14]。

图8 单电池TUI与电流的关系

图9 不同电流下的单电池温度分布云图

表3 不同电流下质子交换膜燃料电池堆温度特性

3.2 PEMFC电池堆温度与输出电压关系

选取各单电池在每个负载电流稳定阶段的最后一分钟的平均电压和温度进行表征分析。图10示出了各单电池温度、电压随负载电流的变化关系。在2 A之前，Cell 1输出电压与其他4块单电池大致相等，而在2 A之后Cell 1输出电压明显下降，一直到8 A均为最低，这是因为在初始阶段电流密度低，电化学反应所需燃料气体较少，进气温度扰动影响相对偏小，各单电池温度均匀性较好，输出性能基本相同。而随着负载电流的增大，进气扰动影响增强，各单电池温度均匀性逐渐恶化，从而使受扰动影响最大的Cell 1输出电压最低。结合图11分析，在1 A时Cell 1电池内最大温差仅为0.3 ℃，而在2 A之后，3 A时迅速增加到0.6 ℃，随着负载电流的增大，Cell 1内区域温度差异也更大，到7 A时Cell 1内区域最大温差接近1.0 ℃，与堆内其他单电池相比温度均匀性较差，导致Cell 1平均电压Uave持续偏低。

图10 单电池温度、电压随电流的变化

在相同的电流密度下，若单电池输出电压高，则说明其内部损耗小，发热量少，相应的温度也更低。但是从图10中可以发现，电池堆下层单电池Cell 3、Cell 4、Cell 5的电压和温度均明显高于上层的Cell 1、Cell 2。这是因为上层的单电池虽然输出电压低，产热量多，但其除了相同的均温板散热以外，Cell 1、Cell 2还受端板效应以及靠近进排气口更强的散热作用，从而使其温度低于输出高、发热少的下层单电池。这也是在图11中I=1 A时，Cell 4、Cell 5具有0.7 ℃左右的温差仍能输出较高电压的原因。结合图10、图11可以发现，Cell 4随着负载电流的增大，温度始终为电池堆内最高，但TUI一直在0.7以下，保持较高输出电压的同时仍具有良好的温度均匀性，在2 A以后电池内最大温差均不超过0.6 ℃。这表明均温板在单电池产生高输出时，可有效散去单电池产生的热量并保持电池内各区域温度的均匀性，避免出现低温冷区或高温热点，对质子交换膜起到了一定的保护作用。

图11 不同电流下各单电池最大温差与平均电压

3.3 均温板与水冷冷却性能比较

为了进一步量化分析均温板在质子交换膜燃料电池堆热管理中冷却性能的优劣，引入本课题组已有的水冷型质子交换膜燃料电池堆[15]与本研究安装有均温板的质子交换膜燃料电池堆作均温性对比。在相同的操作条件下运行水冷电池堆，为了更好地比较不同冷却方法的冷却特性，同样选取水冷电池堆中温度具有代表性的5块单电池与均温板电池堆单电池作对比分析。

在1、4、8 A时2个电池堆的各个单电池之间的最大温差比较如图12所示。可以观察到在3种电流状态下，水冷电池堆各个单电池的最大温差均高于均温板电池堆，尤其是8 A时均温板电池堆各电池内最大温差都小于0.7 ℃，而水冷电池堆均在0.9 ℃以上，这表明在相同工况下，均温板能更好地保证PEMFC的温度均匀性。此外，可以看到2个电池堆在不同电流状态下温差最大的单电池均为离进排气口最近的Cell 1，这说明电池堆的热管理要考虑进排气的影响。更值得注意的是，随着负载电流的增大，均温板电池堆内单电池最大温差具有明显的下降趋势。尤其是在1 A时Cell 3最大温差为0.5 ℃，而到8 A时其下降至0.2 ℃以下，这是因为在加载过程中电池堆产热量增大，电池堆整体温度也随之升高，更高的温度有利于增强均温板内各区域导热介质的工作循环，从而使得均温板电池堆各单电池在负载电流增大时，表现出了更小的最大温差。

图12 3种电流状态下2个电池堆的最大温差比较

4 结论

实验结果表明，在负载电流从1 A加载至8 A的过程中，均温板可使整个电池堆的TUI保持在1.0以下，具有较好的温度均匀性。同时随着负载电流的增大，各单电池TUI逐渐趋于平缓，避免电池内部出现低温冷区或高温热点，有效保护了质子交换膜。而对于加载过程中堆内输出电压最高的单电池Cell 3、Cell 4、Cell 5，均温板可将这3块单电池内部最大温差控制在0.8 ℃以内。并且在相同工况下，与水冷堆相比，均温板电池堆内的单电池最大温差均在1.0 ℃以下，均温板较水冷具有更好的均温能力。这说明均温板可有效散去堆内热量并保持电池各区域温度均匀，为质子交换膜燃料电池堆的结构紧凑、集成化热管理控制技术提供了新的途径。