为解决能源短缺、环境污染等问题,开发清洁、高效的新能源和可再生能源已十分紧迫。氢能因燃烧热值高、污染小、资源丰富成为新能源的对象,氢燃料电池作为氢能利用的有效手段,成为开发的热点。

    燃料电池种类较多,质子交换膜燃料电池(PEMFC)以低噪音、零污染、无腐蚀、长寿命的特点和电流大、工作温度低、比功率高、能量效率高、冷启动快、结构紧凑等优点特别适宜作为便携式电源、机动车电源和中、小型发电系统。PEMFC成为国内外大力研究的新型动力源。

    质子交换膜燃料电池直接将氢气的化学能经与氧气电化学反应转化为电能、热能和水,而PEMFC中水平衡、热传递与反应气体的分布和消耗互相影响,它们对提高PEMFC的性能和寿命起着关键作用[1]。

    1　质子交换膜燃料电池热管理的重要性

    质子交换膜燃料电池发动机中产生的能量将近有50%以热量的形式排放到环境当中,又因PEMFC是一种低温燃料电池,典型的工作温度范围为60～85℃,散热温差很小,有非常大的热负荷,因而热管理是目前研究的重点之一。

    质子交换膜燃料电池有效的水和热管理是保证电池高性能和效率的关键。研究发现,温度的高低对电池性能影响很大,低温时电池内各种极化增强,欧姆阻抗也较大,因此使电池性能恶化。温度升高时,会降低欧姆阻抗,同时较少极化,并有利于提高电化学反应速度和质子在膜内的传递速度,电池性能变好。但由于膜的水含量强烈影响其导电性能,温度高的同时会导致膜脱水,电导率下降,电池性能变差。同时,电池的温度分布对电池性能有着显著的影响,它决定了水的蒸发和凝结,影响了水的分布,通过热表面张力和热浮力作用影响了多组分气体扩散传输[2]。不充分或无效的电池冷却会导致整个或局部电池温度过高,这样会使得膜脱水、收缩、褶皱甚至破裂,膜的水合对保证高的质子传导率和相应的电池性能很重要。因此,需要保持燃料电池内部的热平衡,使其在一定的温度范围内工作。

    2　质子交换膜燃料电池热管理设计要求

    (1)控制温度范围　

    要使电堆能够高效、稳定运行,须将其工作温度控制在70～80℃之间,这是燃料电池的最佳工作温度范围。

    (2)匀化温度水平　

    电堆内部要求各部分温度基本一致,以保证其工作性能。如为提高电堆内温度分部均匀性要求进出电堆冷却水温差小于10℃,最好小于5℃。

    (3)控制温度极限　

    系统的大部分部件都要求在某个温限以下工作,因此需要控制温度极限。若电堆局部温度高于100℃时,膜将会出现微孔,使空气系统有氢将会导致严重的安全事故[3]。

    PEMFC热管理就是对电池内热量的生成与传递、温度场分布和冷却方式进行研究,包括如何使电池内部产生的热量排到外部、保证在时间和空间上温度均匀分布,避免过热点的出现,且为保证电池好的总效率需要冷却循环的泵功率损失最小化,即增加热交换能力的同时使压力损失最小。

    3　质子交换膜燃料电池热管理方法

    PEMFC的热源有电化学反应生成热、欧姆热和外界辐射热,而散热方式则依赖于冷却剂的循环带走热量以及向环境的传热。电池的热平衡主要取决于冷却方式、冷却剂种类、流量等因素和电池运行工况的匹配。目前主要的冷却方式有:

    (1)冷却液循环排热

    采用冷却液循环排热,要在PEMFC电池组内加置排热板,如图1所示。双极板中排热板流道的几何形状有:直流道、蛇形流场、Z字型流道,如图2所示。YahiaLasbet等提出了一种C型流道,通过对直流道、Z字型流道和C型流道模拟计算发现:Z字型流道的对流热交换系数是直流道的2倍,这是由于流动出现了旋流,而C型流道的热交换系数是直流道的6倍,流道出现了紊流[4]。S.M.Senn提出了一种树状网络微流道,如图3所示。研究发现,在相同的表面积和入口雷诺数下,树状网络流道的压力损失只有蛇形流道的一半且对流热交换系数也大得多,这样不仅更有益于电池的散热,还可减少系统的泵损失而获得更高的总效率[5]。单通道的蛇形流场阻力降大。为减少冷却液压力损失,也可采用多通道蛇形流场或平行沟槽流场。

    循环冷却液可采用水或水与乙二醇混合液。采用水作冷却剂,必须采用去离子水,对水的电导要求非常严格。采用水与乙二醇混合液作为冷却剂,冷却剂的电阻将增大,但冷却剂的比热容将降低,循环量增大。

    (2)空气冷却

     对kW级PEFC电池组,可以采用空气冷却,把作为氧化剂用的空气与作为冷却用的空气分开,分别控制。

    (3)液体蒸发冷却

     液体蒸发的潜热很大,非常适合用于PEMFC电池组的排热。中国科学院大连化学物理研究所在专利中提出一种利用液态蒸发潜热排出PEM FC电池组废热的方法。采用液体蒸发排热的带排热腔的双极板结构与前述用冷却液循环排热的类同,其特点是可将冷却腔的蛇形或平行沟槽流场改为多孔体流场。

    (4)空冷加蒸发冷却方式

     使反应气体的加湿过程和空冷加蒸发冷却在加湿器中同时完成,在加湿过程中,通过调整气体的流量,使进入阴极区的反应气体达到较高的湿度(70%),当电池工作时会消耗掉一部分阴极反应气体,而同时新输入的反应气体和未发生反应的气体将会使反应产生的水得到蒸发,从而造成蒸发冷却。

    4　质子交换膜燃料电池热管理数值模型的研究现状

     质子交换膜燃料电池(PEMFC)的发展过程中,数值模型研究不仅可以加快优化电池设计和运行周期,还可以大量减少电池的成本和试验费用,通过建立模型可以获得对电池内部传递反应过程的清晰认识,深入了解各种参数对于电池性能的影响,从而为燃料电池的结构设计和性能优化提供指导,对质子交换膜燃料电池热管理系统进行模拟分析有着重要的意义。对于目前涉及到电池温度热管理模型的研究主要有:

    (1)一维模型

     Rowe建立了一个不等温模型,研究了设计和操作条件对电池性能、热和水管理的影响,发现电极中水的相变影响温度分布,特别是对小饱和反应物和低温操作。在单电池中,电池在低温下操作或反应气不完全增湿时最高的温度上升会变大,对电池组则更显著[6]。Djilali则讨论了不等温和不等压操作对电池性能和水管理的影响,认为燃料电池中,温度和气压变化很重要;而如果保持充分水化条件,极化就不受温度和压力不均匀分布的影响;水传递受温度和压力不均匀分布的强烈影响;不等温不等压模型比等温等压模型有更多增湿要求[7]。

    (2)二维不等温模型

     TFFuller等利用稀溶液理论建立了一个二维膜电极水热管理模型,详细考察了水的管理、热的管理以及反应物利用率之间的关系。模型显示:移走热量的速度是燃料电池操作中的一个关键参数,膜的含水量对于热的移走速度很敏感,如果热量不能及时移走,容易造成局部高温导致膜失水而使电池性能下降,考虑水的管理必须同时考虑热的管理[8]。T.V.Tguyen等建立了一个水热管理模型并用于研究不同的增湿方式的效果,模型解释了水在膜中以电渗和扩散方式传递,考虑了流道中的气体和固体之间的热传递和水的相变潜热[9]。J.S.Yi等在其沿流道方向的模型中,考虑了水的扩散、电渗和压差反扩散,考虑了沿流道方向的固相温度分布,以及顺流、逆流和自然对流条件下的散热。模拟结果显示:反应物在流道中流动,阳极分压降低,由于水的电渗阳极侧含水量降低,随着反应物消耗,沿着流道方向电流密度降低,电池中央温度最高,由于边缘散热,角部温度最低。采用阳极增湿和阴极压力比阳极高的操作方式能够使电池性能得到提高,对热量的排出和分布,采用逆流换热最有效[10]。

     C.Paola考虑了多孔物质流场板热管理,通过模型模拟显示,电池中阳极水含量入口处较低,沿流动方向增大;阴极侧自口水浓度增大,随后达饱和而出现液态水,容易引起电极水淹。反应最剧烈的地方在电池中部,形成一个高温区域。模型指出,如不能很好维持热平衡,这样的区域温度超过100℃,会引起膜的脱水而使电池失效[11]。

    (3)三维模型

    T.Berning等对于燃料电池进行三维模拟,结果显示:电池中存在很大的温度梯度,电池中温度最高的地方出现在阴极入口处的催化层中,这个地方的反应也最剧烈,电流密度最高[12]。S.Dutta等利用计算流体力学软件FLUENT进行三维模拟,通过考虑热的生成和相变等能量因素模拟电池中温度分布的结果显示,流场面上采用绝热边界条件所得到的各个方向上的温度分布都要比给定固定值的边界条件所得结果要高。

    然而,温度的分布还受到电化学反应生成热和电池内水的相变的影响。电池性能不仅依赖于入口增湿条件和初始条件(如膜的厚度和电池电压),还依赖于电池内部的温度增加。所以,考虑能量平衡的电池模型所模拟得到的电池性能要比不考虑热量传递的模型所得性能要差。同一过电位下,考虑热效应既得的电流密度要比不考虑时要低,而且在电极平面上分布更加不均匀,总的电池性能变差[13]。

    (4)质子交换膜燃料电池的温度控制仿真目前,国内外对质子交换膜燃料电池的研究主要集中在基础级(尤其是基础功能材料)的研究上,对电堆系统控制方面的研究很少,且仅局限在物料传递与传质、热/水平衡模型分析和建模的水平上。真正对PEMFC各种控制理论、控制策略和控制方法的研究,尚处于起步。对PEMFC温度控制方面的研究更是如此。究其原因,主要是PEMFC的反应机理复杂,系统建模困难,电堆内部无法进行实验测试;同时过程控制具有大滞后、不确定性和非线性等特点;当负荷变化时,电堆的动态特性变化明显。目前温度控制的主要方法有:基于广义预测控制的PEMFC温度控制系统和基于模糊控制的PEMFC温度控制系统。

    参考文献:

    [1]律翠萍,叶　芳.质子交换膜燃料电池的水热管理[J].节能,2005.8:6 10.

    [2]张扬军,等.燃料电池汽车动力系统热管理[J].汽车工程,2003,(6):561 565.