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1DMFC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：ldtEevrctetestotQQQQQIUQ/)1(（1）其中：totQ—位时间内，电池堆系统的总能量损失；rcQ—位时间内，反应物通过电池系统被加热所吸收的显热；evQ—位时间内，电池运行过程中产生水蒸气所需要的潜热；EQ—位时间内，电池系统向环境释放的热量；dtQ—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；lQ—位时间内，冷却系统的热负荷；lI—电池堆的工作电流；te—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：gIVTte(2)其中：te—热力学效率；T—电压效率；V—电流效率；I—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。对于管内充分发展的层流流动，Nu准则书为定值4.364[9]，则第k级和第k+1级流道中的换热系数间的关系存在如下关系：11//kkkkddhh(3)再结合水利直径kkdd/1(4)可得：/1/1kkhh(5)则有：kkhh0(6)由于管为恒定截面，边界处于恒定热流密度的充分发展流动换热，液壁的温差△T保持恒定。假设每一级流道中的液壁温差都为恒定值，则该散热器的总换热量为：TNLdhTAhQkkkmkkmkkkf0022(7)整理得：TNNhLdQmf)1/(])(1[21000(8)对于一直径为d0，换热面积与分形树形网络通道散热器相同，管内液壁温差也相同的平行流道散热系统，其总的换热量为：TNNhLdQmp)1/(])(1[21000(9)比较可知，两种换热系统的换热比为；)1]()(1/[)1]()(1[/11NNNNQQmmpf(10)比较可知，新型分形柱状网络通道散热器的换热性能较普通的平行通道散热器强；随着长度分形维数和通道总级数的增加，性能提升更明显，且增加通道总级数对于换热性能的强化效果更明显。4.2冷却系统对DMFC堆冷却效果的分析模型基于以上对分形树状网络通道换热特性的分析，下面着重分析其对DMFC堆的冷却效果。主要考察热负荷、冷却流量和沿通道的温度变化三者之间的关系。为了简化分析，作如下假设：1、冷却介质水是不可压缩、常物性工质；2、稳定状态下，水在每一通道中的流动都是层流且都处于充分发展阶段；3、每一通道中都满足恒热流边界条件；4、不考虑固体壁内的导热、水的相变及毛细现象。若Nu数在每一级分叉管道中都相等，则下一级与上一级的换热系数间的关系任然可由11//kkkkddhh表示。而第k级通道中的换热密度可表述为：kkkqTh(11)其中：T表示第k级通道中的排热板壁面和冷却水之间的温差。因为上一级通道的出口处流体的温度就是下一级通道流体入口处的温度，所以可以假设kT为常数，即：constTThqTTTlwkkklkwk0,0,,,/(12)其中：kwT,—第k级通道中的排热板壁面温度；klT,—第k级通道入口处水的温度；0,lT—冷却水进入散热器时的温度；总的热负荷为：kkmkklmlpllNAqTTmCQ00,1,)((13)冷却水的质量流量为：)](/[0,1,lmlpllTTCQm(14)根据质量守恒定律，第k级通道内的流量为：kkNmm/则第k级通道的热负荷为：kkklklkplklAqTTmCQ)(,1,,(15)第k级通道中雷诺数为：kkkkkkkNNdmdNmdm)/11(000/(Re))]/(1[)/4()/()/(4/4(Re)(16)若选定3，分叉数2N，则)/11(N大于1，也即k(Re)随着k是递减的。4.3冷却系统对排热板壁面温度分布的影响经研究发现：在分形树状结构中部大部分区域内，温度分布较均匀。温升主要体现在网络边缘。虽然网络中的部的末级出口温度最高，但与初级相距最小。实际过程中考虑到排热板是由具有良好的导热性能的材料制成，这种温度梯度必然会在其自身内部垂直于流道的方向产生导热热流，发挥自身的均温特性，最终使得整个横截面的温度趋于均匀。在以上的研究中，换热面积采用kA来计算，而kA只针对单层换热板的第k级通道，因此此热负荷只由单层换热网络通道来承担。若考虑双层通道来分担，则温度梯度还要小。而且，低温冷却水是进入紧靠上一个单电池阳极侧的换热版，而高温冷却水是由紧靠下一个单电池阴极侧的换热板离开散热器，这中布置必然使得电堆中的每一单电池阴极温度稍高于阳极温度。保持阴极温度在较高的水平，可以保证其排水能力；而阳极温度稍低将有利于降低甲醇窜流的活性。综合上述分析知，该新型换热系统比普通的平行通道和蛇形通道排热系统有更好的性能和更多的优点，而且满足DMFC堆的热管理对冷却系统的各种要求。4.4冷却系统对双极板壁面温度分布的影响图2给出了流量为1.96到s，热负荷为245.78W时的温度场.图中右边的色轴即表示颜色与温度的对应关系.初始级中的温度梯度较小，越到后面管道中的温升越快.这表明:越是后面的管道，其h值越大，流量又小，故而温升大，另一方面，末级出口温度最高，但是却与初始级相距甚小.这么大的温度梯度势必会在纵向产生导热热流，最终使得整个横截面的温度趋于均匀.这样就达到了热流恒定，温度分布较均匀的热管理效果.图2冷却系统对双极板壁面温度分布的影响4.5热负荷对流程方向温度分布的影响图3示出了流量为2.28g/s(对应的雷诺数为2300),3种热负荷下各级管道中温度的变化。图中定量地显示了温度梯度随级数的增大而迅速增大，且同流量下热负荷越大温升越快图3热负荷对流程方向温度的影响5结论本文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。完善的冷却系统是保证电池堆的热平衡、水平衡及对温度分布合理控制的有效措施，但现在的冷却系统不能很好地实现热管理的任务。本文结合DMFC的热管理要求，分析了分形树状网络通道散热系统，并对其换热特性进行了分析。考虑到DMFC堆中的双极板的面积都较MEA活化面积尺寸进行优化设计，该分形树状网络通道将更能满足DMFC的热管理的要求。参考文献1.F.C.Chen，Z.Gao，R.O.Loutfyetal。，AnalysisofoptimalheattransferinaPEMfuelcellcoolingplate，FUELCELLS2003,3