PEM燃料电池冷却方法研究

PEMFC 阴极上的反应是放热的，热量释放取决于电压，主要包括电化学反应的熵热，不可逆反应热，欧姆电阻热，以及水蒸气冷凝产生的热量,其中熵热和不可逆反应热分别占 55% 和 10%，欧姆电阻热占 5%。

作为电化学反应副产品产生的热量必须及时从 PEMFC 中取出，以保持电堆内温度的均匀性。如果不能及时散热，电池的温度就会升高，这将极大地破坏燃料电池的性能，甚至会导致质子交换膜的破裂和损坏。

燃料电池功率、方法复杂性和成本决定了 PEMFC 冷却方法的选择。在常用的冷却方法中，空气冷却所适用的燃料电池容量最小，冷却能力最弱，被动冷却和液体冷却适合中等容量的燃料电池，而相变冷却的冷却能力最强。下面介绍几种常见的电池制冷方法。

1、空气冷却

空气冷却仅适用于功率小于 5kW 的燃料电池。空冷系统结构如图 1 所示，它使用空气作为冷却剂来传递热量，与需要较多辅助设备的水冷系统不同，没有冷却回路和热交换器，只需要风机进行空气循环。空气冷却方法使系统结构得到简化，减少了 PEMFC 的体积和成本，降低了控制的复杂性。阴极开放式空冷电堆内的空气既作为冷却剂，又作为反应物，在应用上更有前景。通常增加单独的空气冷却剂流道双极板或额外的空气冷却板，以提高冷却性能。

2、被动冷却

被动冷却是指将散热器或者热管等散热装置集成到PEMFC 中，从而将热量传递出去。被动冷却系统整体可靠简单，可以在电池内部没有冷却剂循环的情况下，进行远距离传输散热。

2.1 散热器冷却

散热器被用作冷却燃料电池的方法，为了实现高传热率，使用高导热率的材料至关重要。在Wen 等进行的一项研究中，热解石墨板被用作散热器，两个小风扇用于强制对流(见图 2)，研究结果表明通过使用散热器，除减少冷却系统的质量之外，使用上述板材还可以获得更均匀的温度分布和更高的体积功率密度。

2.2 热管冷却

高温热管通常使用液态碱金属(钠、钾或钠钾合金)作为传热流体，由于蒸发-传输-冷凝作用，热管具有极高的导热系数，即使截面面积很小，也可以在不增加功率输入的情况下将热量输送到相当远的距离上。设计和制造能够集成到PEMFC 中的热管是使用热管作为热扩散器的一大挑战。 Jason 等设计了由长 46.80cm，宽 14.70cm，厚 0.3175cm 的铜管制成的几个排列在电池之间的脉动热管直接从热源中移除热量。Rahimib 等研究了装配有热管的金属氢化物储罐与 PEMFC 的组合分析，结果表明使用 4条热管覆盖 10 条散热片，可实现 2.5×106 Pa 氢气的解吸过程的最佳性能。

3、液体冷却

液体冷却是指通过冷却剂的强制对流换热，将 PEMFC 工作过程中产生的热量经双极板内部的冷却流道传出。液体冷却已成功地广泛应用于 10kW 及更大功率的大型 PEMFC 电堆中，为提高质子交换膜燃料电池液体冷却系统效率，减小系统的尺寸和质量，众多学者在此方面做了大量工作。

传统的冷却剂主要由基础流体组成，如水、乙二醇和水混合物、油与水混合物等。但传统冷却剂因固有热特性差，极大地限制了其冷却性能，不能完全满足现代冷却系统对于散热的要求。在基础流体中添加纳米粒子(CNT、金属或金属氧化物)所形成的纳米流体，为强化冷却技术带来了新的机遇。程亮等验证了纳米流体在 PEMFC 冷却系统中的应用潜力，发现使用平均 0.5%(体积分数)的 ZnO 纳米流体相比于标准传热流体，可以降低散热所需的散热器尺寸 10%。

4、相变冷却

相变冷却是通过汽化的焓来消除燃料电池中的废热。与传统冷却不同，相变冷却可以利用冷却剂的潜热，具有独特优势，如降低冷却剂流速、简化系统布局等。

4.1 蒸发冷却

蒸发冷却是将冷却剂直接注入阴极流道，并在此蒸发、冷却和加湿电池组。PEMFC内部反应产生水，同时水能被用于对反应气体进行湿化，故蒸发冷却系统可以将加湿和除水相结合，在散热的同时对阴极进行加湿，而不需要外部加湿器或冷却板。典型的蒸发冷却系统如图 3所示。

4.2 沸腾两相冷却

沸腾两相冷却是指冷却液在达到沸点的条件下从液态转变为气态，带走热源热量的冷却方式。因其高效的冷却能力，被广泛应用于计算机芯片、激光二极管和其他电子设备和元件。这种方法也可以应用于 PEMFC 的冷却，Yan等结合相变冷却的数值模型，将相变冷却与传统方法(即风冷和水冷)进行全面的比较，发现相变冷却的温度均匀性更好，大大提高了热管理性能。

4.3 相变材料冷却

相变传热是指相变材料发生相变时存储和释放潜热，从而在相变过程中进行热传递。相变冷却技术缓解了能源供应双方的时间、强度和地点之间的不匹配，在未来燃料电池热管理中具有广阔的发展前景。石蜡，脂肪酸和多元醇等成本低，工作温度范围广，是一种常用的低温相变材料，被广泛应用在工作温度为 60~80 ℃的 PEMFC 中。