直接甲醇燃料电池堆新型冷却系统的研究

直接甲醇燃料电池堆新型冷却系统的研究

摘要:对直接甲醇燃料电池(DMFC)的热平衡进行了分析，结合DMFC堆的温控要求，对 DMFC 堆的常规冷却方式进行了分析说明，介绍了新型分形网络冷却通道的设计，计算出了该分形网络通道的最优化结构参数并定量地分析了冷却水流量和热负荷对DMFC堆温度分布的影响.

关键词:直接甲醇燃料电池;热量管理;冷却;分形

燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学反应将燃料的化学能转化为电能的高效发电装置，具有发电效率高、环境污染少、可靠性高和废热易排除等优点。直接甲醇燃料电池（DMFC）的工作原理如图1所示，主要由扩散层、催化层和质子交换膜等部件组成。直接甲醇燃料电池（DMFC）中产生电能的同时还产生大量的废热，因此相应的冷却机制带走或利用这些废热。另一方面，质子交换膜（PEM）对燃料电池内部的高温环境非常敏感，在每节电池内部的各横截面上维持均匀的温度分布，对于提高电极内反应点处的反应动力学特性以及减少膜上的欧姆过电位非常重要【！】。随着DMFC电池堆工作电流密度和功率密度的提升，由于电池堆各节单电池间和每节单电池的电极各处排水和反应物供料不均匀等因素的影响，导致各处的电流密度分配不均，产生PEM上的局部工作电流密度过高。为避免和消除DMFC电池堆在高电流密度和高功率密度工况时出现失效的状况，除了采用高导热率的材料制备流场板与双极板外，还需要设计合适的冷却系统以保持电池内部稳定均匀的温度分布。本文介绍一种适用于DMFC堆的新型分形树状网络冷却通道换热系统。

图1 DMFC的工作原理图

1.电池系统的热平衡

燃料电池内部生成的热量来源有：不可逆电化学反应放热、各部件的欧姆热以及传质局限引起的计划导致的电能损失；其内部还有冷源。为了达到更好的性能，DMFC的运行温度一般会在70~90℃.燃料和氧化剂进入电池后，在流道中流动和电极中扩散的过程中还需

要被加热。

电池堆系统的热平衡方程为：

l dt E ev rc te te s tot Q Q Q Q Q IU Q ++++=-⋅=ηη/)1( （1）

其中：

tot Q — 位时间内，电池堆系统的总能量损失；

rc Q — 位时间内，反应物通过电池系统被加热所吸收的显热；

ev Q — 位时间内，电池运行过程中产生水蒸气所需要的潜热；

E Q — 位时间内，电池系统向环境释放的热量；

dt Q — 位时间内，当冷却系统的排热能力不足时，电池系统温升所吸收的热量； l Q — 位时间内，冷却系统的热负荷；

l I — 电池堆的工作电流；

te η— 电池堆的总的能量的转化效率。

由于DMFC 的工作过程较复杂，其效率表达式也非常复杂，目前应用较多的为下列形式：

g I V T te ηηηηη⋅⋅⋅=

(2)

其中： te η—热力学效率；

T η—电压效率；

V η—电流效率；

I η—燃料的利用率。

2.电池系统的温度控制要求

质子交换膜燃料电池的正常运转很大程度上取决于和温度密切相关的表面反应、流体和离子的传递、电子传导过程的顺利进行。Wang 等【2】指出：温度对运行性能的影响主要表现在对催化剂活性、膜的含湿量、电池内部传质和热平衡等因素的作用上。由于温度对于电池（电池堆）的运行有重要影响，已经有相当数量的研究设计到这方面的问题。Scott 【3】【4】等研究了温度对DMFC 阳极传质系数的影响。研究表明：高温时，阳极传质系数较大，且甲醇氧化引起的过电势很小，极限电流密度增大。H.Dohle 【5】等研究了60~110℃范围内的温度

对系统热平衡和输出功率及其他运行参数的影响。Shukla 【6】

等人也研究了一个采用不锈钢

极板的5瓦的DMFC堆在工作温度分布为70℃和90℃时的功率输出情况。虽然增加DMFC的运行温度和压力可以得到更好的运行特性，但另一方面，电池温度越高，穿透PEM的甲醇量就越大，而且当温度到达某一值后PEM中含水量会降低，则在同样的含水量条件下PEM中的水在低温时较高温时的活性强，也即电导性能好。

3.DMFC常规冷却方式概述

在DMFC的研究领域，大多数对电池（堆）发电性能模拟的理论模型都是在工作温度恒定的基础上建立起来的；而现在的实验研究大多采用活性面积小（一般不会超过50cm2）的单电池，温度分布的不均匀性对其性能的影响体现的不明显。对于大型电堆，广泛采用的排热方法是冷却液循环排热（冷却液通常是纯净水或水与乙二醇的混合液）。对于小功率的电池堆，也有用空气冷却方式的。还有一种利用液体（如乙醇）蒸发排热的方法。相比而言，后两者应用的较少，这里主要介绍冷却液循环排热。

采用冷却液循环排热时，需要在电池堆内加置排热板。对于小电流密度运行的电池堆，一般是在2~3节单电池间加置一块排热板。随着PEMFC技术的进步，其工作密度已逐渐提高到了1A/cm2，为了防止电池堆内温度分布的不均匀，必须每节单电池加置一块排热板【7】。排热板一般由两块表面刻有流道的单板采用导电胶黏合或者焊接为一体的。

基于电池堆冷却系统中的冷却工质分流结构简化的考虑，冷却通道最好有尽可能少的进出口。传统的平行通道显然不满足此条件，而且对于活性面积大的电池堆平行流场很难达到温度控制的要求。因此，平行流场不适合于电动汽车用DMFC堆的热管理。蛇形通道和其它好多的特殊结构的弯管通道【8】虽然有较少的进出口，而且在保持电池横截面上温度的均匀性上较平行通道有所改善，但冷却工质在其中流动阻力较大。因此，要实现电池堆的高效优质热管理，必须开发新型适用的流场结构。Chen等基于此提出了一种适用于矩形表面的分形树状网络通道散热结构，通过计算和对比发现：该结构比普通平行通道的传热特性要好。

在冷却液的选择上，现在普遍选择去离子水。因为：电池本身可以生成离子水；而且，若采用水与乙二醇的混合液作冷却液，则冷却液的电阻将增大；而且冷却液的比热容较低，其循环量要增大，消耗更多的泵功。另外，混合液中若被金属离子污染，会产生漏电，则电池堆的能量转化率就会降低。

4.分形树状网络通道散热器

4.1分形树状网络通道散热器的换热特性分析

为了简化分析，作如下假设：

1.冷却介质水是不可压缩、常物性的工质；

2.稳定状态下，水在每一通道中的流动都是层流，而且都达到了充分发展阶段；

3.每一通道中都满足恒热流便捷条件；

4.假设通道的水力直径在常规的小尺度范围之内，不考虑微通道中的流动换热。