氢能技术：质子交换膜燃料电池的平板热管传热性能

华东理工大学 2024-04-19

为探究平板热管在电堆中的传热性能，针对电堆中的传热条件设计平板热管的传热性能测试实验。结果表明: 平板热管瞬态响应灵敏，响应时间在 100—260s 之间; 加热功率增加时平板热管的温差增加，等效热阻下降，5—15 W 时处于启动阶段，40—50 W 时等效热阻低于 0.1 ℃ /W，温差＜5 ℃ ; 冷却风速增加，平板热管的温差和等效热阻都有所上升; 工作倾角对平板热管的性能影响显著，逆重力的工作条件将使平板热管的性能恶化，在 50 W 的加热功率、－90°工作倾角下平板热管的等效热阻约为 90°时的 3 倍。

摘要: 为探究平板热管在电堆中的传热性能，针对电堆中的传热条件设计平板热管的传热性能测试实验。结果表明: 平板热管瞬态响应灵敏，响应时间在 100—260s 之间; 加热功率增加时平板热管的温差增加，等效热阻下降，5—15 W 时处于启动阶段，40—50 W 时等效热阻低于 0.1 ℃ /W，温差＜5 ℃ ; 冷却风速增加，平板热管的温差和等效热阻都有所上升; 工作倾角对平板热管的性能影响显著，逆重力的工作条件将使平板热管的性能恶化，在 50 W 的加热功率、－90°工作倾角下平板热管的等效热阻约为 90°时的 3 倍。

关键词: 质子交换膜燃料电池; 平板热管; 热管理; 传热; 热阻

引言

PEMFC( 质子交换膜燃料电池) 是一种高效率、高功率密度、清洁的动力电池，具有广阔的应用前景。PEMFC 工作时会产生大量电化学反应热，电堆温度过高将导致输出性能下降、寿命缩短。通常小功率电堆使用风冷散热，而大功率电堆( ＞10 kW) 则需要液冷散热。近年来，在电堆中集成平板热管是一种新型电池散热方式，能够有效散热并保证电池温度的均匀性。

目前国内外对于平板热管的研究分为性能提升和实际应用两方面。为了提升平板热管的传热性能，研究者们对吸液芯做了很多改进工作。杨辉著等设计了一种泡沫金属吸液芯结构的平板热管，获得了较好的传热性能。陆宁香等设计了一种变孔隙吸液芯结构，以提高吸液芯的毛细力和渗透率。杨茂飞等对铜丝网结构的吸液芯进行亲水改性，改性后平板热管的热导率提升了 19.53% 。平板热管在电池热管理中具有巨大潜力。钱志广等研究利用平板热管对高温 PEMFC 进行预热启动，显著缩短了预热时间。王悦齐等对平板热管式锂离子电池热管理系统进行了仿真分析，并为冷凝段安装了散热翅片，散热效果得到进一步提升。Chen 等将横向和纵向传热的 2 种平板热管分别集成到 PEMFC 电堆中，研究了平板热管对输出性能、热管理和工作稳定性的影响。Zhao 等将 5 个平板热管集成到一个10 单元风冷 PEMFC 中，比较了不同操作条件下的相关热性能参数。Luo 等将 6 个平板热管用于 5 单元燃料电池堆，实验结果证明可以获得非常均匀的温度分布。

目前对于平板热管在 PEMFC 电堆中散热时的性能测试不够全面。本文搭建平板热管传热性能测试实验系统，针对平板热管在电堆中的传热状态，在风冷条件下，测试平板热管的启动性能，探究加热功率、冷却风速和放置倾角对平板热管的性能影响，为平板热管散热型电堆的实际应用提供了理论可行性和基础数据。

1、实验装置及方法

1.1 平板热管散热型电堆的概念结构

平板热管为薄片结构，换热面积大，能够满足平面发热元件在高热通量下的热管理需求。图 1所示为平板热管散热型电堆概念结构。6片单电池中间隔堆叠了5片平板热管，平板热管在电堆内部的部分为蒸发段，与相邻单电池紧密贴合传热; 外延的部分为冷凝段，通过风冷或液冷的方式将热量传输给外界。

1. 2 平板热管的结构

平板热管结构如图 2 所示，其主要由上壳板、下壳板、上吸液芯、下吸液芯、支撑铜柱和充注管组成。上下吸液芯为铜粉烧结至上下壳板，为液体的冷凝回流提供毛细驱动力。壳板为铜板冲压成型，表面镀镍处理以提高壳板表面强度。在平板热管的装配、抽真空和焊接等过程中会产生较大的应力，支撑铜柱结构能够有效减少壳板 81% —91% 的形变，并且能够加强上下壳板间的传热。

平板热管抽真空后再充注去离子水作为相变工质，详细参数如表 1 所示。

1.3 实验装置及步骤

平板热管的传热性能测试系统如图 3 所示，该系统主要由加热模块、冷却模块和数据采集模块 3 个部分组成。加热模块包含硅橡胶加热片和加热功率控制器( ENCLOSUＲE，D69-2058 型) ，加热片尺寸为 70mm × 80mm，使用耐热胶黏附在下壳板表面，使用保温棉将蒸发段包覆以尽可能减少蒸发段与环境间的传热，加热功率控制器的可调范围为 0—50 W。冷却模块采用风冷对冷凝段进行散热，风扇布置在平板热管的侧面，包括风扇和风扇调速器( 盈讯) ，风扇的可调电压为 3—12 V。数据采集模块包括 16 根 T 型热电偶、热电偶温度采集模块 ( 诚控电子，CK-3168E) 、直流电源 ( 固测电源， NSP306W) 、通讯转换器 ( AMSAMOYION，USB- ＲS485 /422) 和计算机。热电偶以 2 排的形式间隔 15 mm均匀布置，蒸发段和冷凝段分别有 8个测点，测点位置避开支撑柱所在位置，以免支撑柱的局部温度影响测量结果，使用热电偶测温胶将测点固定在平板热管的上壳板表面。直流电源为热电偶温度采集模块供电，采集热电偶的温度信号，再通过通讯转换器转接到计算机的温度采集软件，每隔 2s 记录一次数据。

实验开始前，控制室温的恒定，调整好冷却风扇的风速、平板热管的工作倾角，打开温度采集软件，待所有热电偶测点的温度保持稳定后开始实验。打开加热功率控制器开始加热，等待所有测点稳定 5 min 以上后提升加热功率，再次稳定后重复这一步骤。

为了便于设计不同工作倾角下的实验，将平板热管固定于可调倾角的台架上，如图 4 所示。图中 θ 即为平板热管的工作倾角，定义为蒸发段与水平面间的夹角。图 4 状态下蒸发段位于冷凝段下方，平板热管处于顺重力工况，倾角为正; 当蒸发段位于冷凝段上方时为逆重力工况，倾角为负。

1.4 评价方法与误差分析

对于平板热管的传热性能评价主要通过等效热阻这一指标，等效热阻越小则传热性能越好，温度分布越均匀。等效热阻Ｒ的计算公式为

式中: Δt 为蒸发段和冷凝段的平均温差，℃ ; te为蒸发段平均温度，℃ ; tc为冷凝段平均温度，℃ ;P 为加热功率，W。

在本实验中蒸发段和冷凝段平均温度计算公式分别为

式中: ti 和 ti+8 为图 3 中 16个热电偶测点的测量温度，℃。

实验的不确定性主要来源于实验仪器的测量误差。其中加热功率控制器的功率误差为 ± 0.2% ，热电偶的测量不确定度为 ± 0.4% ，温度采集器的温度转换精度为 ± 0.05 ℃，实验测试温度范围为 20— 85 ℃。热阻Ｒ的不确定度为

式中: δＲ为热阻的测量误差，℃ /W; δXi 为自变量的测量误差。由式( 4) 计算得到热阻的不确定度为 8.4% 。

2、结果与讨论

2.1 平板热管的瞬态性能

PEMFC 在不同工况下的产热不同，平板热管需要具有良好的瞬态性能来响应热负荷的变化，避免热负荷增加时局部过热。图 5 所示为热负荷不断等量上升时，平板热管的温度变化情况，图中不同曲线对应 16 个热电偶测点。该组实验室温为 20 ℃，平板热管的工作倾角为 90°，冷凝段冷却风风速为1 m /s。可以看到每当加热功率增加时，所有热电偶测点的温度迅速上升，经过一段时间后达到平衡状态。由于冷却风速较低，当加热功率达到 22.5 W 时，平板热管的温度已经上升至约 60 ℃。

图 6 所示为加热功率增加时平板热管响应时间的变化。响应时间定义为每当热负荷变化时，平板热管的温度达到新的平衡状态时所需的时间。响应时间越短，则平板热管对热负荷的变化越敏感。在 60 s 内所有热电偶测点的温度上升＜ 0.5 ℃ 即可认为平板热管达到了平衡状态。本研究测试的平板热管响应时间稳定在 100—260 s 之间，低于所记载的 250—400 s 和记载的 500—900 s，这表明该平板热管具有良好的瞬时响应性能。

2． 2 加热功率对平板热管的影响

PEMFC 在不同操作条件下将产生不同的热量损耗，使平板热管受到不同的热负荷。图 7 所示为加热功率对平板热管的影响。实验室温为 23 ℃，工作倾角为 90°，冷却风风速为 4 m /s，加热功率从 5 W 增加到 50 W。随着加热功率的增加，蒸发段与冷凝段的平均温度和温差持续增加，等效热阻持续下降。在 5—15 W 的阶段温差增加相对平缓，等效热阻迅速下降。这是因为这个阶段平板热管内部的相变循环处于启动阶段，水的蒸发能够吸收大量的热; 20 W 之后平板热管完全启动，加热功率继续增加时，气液流动速度加快，相变循环更加剧烈，因此平板热管的等效热阻仍然小幅下降，但温差持续上升。当加热功率高于 40 W 时，平板热管等效热阻已经＜ 0.1 ℃ /W，温差仍＜ 5 ℃，整体温度为70—80 ℃。

2． 3 冷却风风速对平板热管的影响

冷凝段的冷却条件将对平板热管产生影响。实验室温控制为 20 ℃，平板热管的工作倾角为 90°，固定风扇与平板热管的相对位置冷却风风速从 1 m /s 增加至 4 m /s。图 8 所示为冷却风风速对平板热管的换热性能的影响。从图 8 ( a) 、( b) 中可以看到，随着冷却风风速的增加，冷凝段和蒸发段的整体温度都显著下降，这是因为冷凝段的散热速率加快，降低了平板热管整体温度。

从图 8( c) 可以看到，加热功率为 2.5 W 时，平板热管的温差较小，不同冷却风风速下的差距也很小; 当加热功率增加到 5 W 时，温差显著上升，不同冷却风风速间也出现差距。这是由于低功率条件下能够传递到平板热管的热量较少，同时冷凝段的热量散失相对较快，平板热管的热量无法积累，使得整个平板热管的温差较小。综合图 8( c) 、( d) 可以看到随着冷却风风速的增加，平板热管的温差和等效热阻都有所上升。这可能是因为当冷凝段的冷却能力增强时，空气与冷凝段之间的温差会减小，而蒸发段的温度对冷却风风速的响应没有冷凝段敏感，导致温差和等效热阻上升。实际应用中在平板热管性能满足工况需求的前提下可以适当减小冷却风风速，以增加温度均匀性并且减少风扇功耗。

2.4 工作倾角对平板热管的影响

在一些电堆的实际安装角度变化或工作角度变化时，由于重力相对液体流动方向发生改变，将对平板热管产生影响。实验室温控制在 23 ℃，冷却风风速为 4 m /s。图 9 所示为不同工作倾角对平板热管的性能影响。在顺重力条件下，随着倾角的减小，平板热管的温差和等效热阻明显上升。工作倾角为 90°时，整体温差和热阻最低，加热功率升至 50 W 时平板热管的平均温差仍未超过 5 ℃。工作倾角由 30°降至 0°( 平置) 时，温差不再明显升高，这是因为在较小的倾角下，重力在液体流动方向上的分量相对较小，对液体回流的影响不再明显。