质子交换膜燃料电池的高效热管理研究

质子交换膜燃料电池是一种高效、清洁的绿色环保电源。具有能量转换效率高、工作温度低、无污一染、比功率大、启动迅速快等优点,已经成为能源领域研究的新热点之一[1]。由于质子交换膜燃料电池内部约有40%一50%的能量耗散为热能,所以有效的热管理对于质子交换膜燃料电池来说是非常重要的[2]。同时,质子交换膜燃料电池(PEMFC)整体温度控制与内部温度分布均匀性对维持电化学反应的正常进行和长期稳定工作也有着重要的影响[3]。有效的热管理是保证电池高性能和高效率的关键。本课题根据质子交换膜燃料电池的工作原理,对质子交换膜燃料电池的产热进行分析,指出电池内部热量是由电化学反应和各种相变以及极化产生的,又依据传热原理建立集总参数的数学模型。使用计算机模拟的方法来分析质子交换膜电池的热管理,基于能量守恒原理建立了集总参数的电堆动态热传输模型,利用sinda/fluent软件进行数值模拟的计算[4]。通过仿真软件分析内容如下:(1)由于传统PEMFC内部冷却液循环系统难以避免电池内部局部温度过高的难题,因而首次采用微通道阵列相变传热技术,使质子交换膜燃料电池始终保持在最佳工作温度范围内运行,同时丰富了燃料电池热管理理论。(2)探讨改变热管直径大小、热管数量以及传输功率的不同操作条件对电池性能以及电池温度分布的影响。并且研发了新型高效热管理系统装置,其核心散热部件为微通道阵列相变传热元件。(3)通过分析质子交换膜燃料电池热传输因素对温度快速上升的影响,基于温度的机理模型,建立了电池热管散热分析评估和电池热管散热优化建议,重点阐述了热管散热对温度控制的实现方法。通过数值模拟计算表明,新型热管理系统有效解决了燃料电池内部温度分布不均匀性的瓶颈问题。这一研究成果充分证明了利用封闭空间内液体相变传热技术,不仅传热效率高,启动快,等温性能好,控制简单,非常适用于PEMFC电池组的排热。因而,探究电池内部微通道内相变传热机理以及沸腾强化传热机理有着重要的科学意义。