羅　瀟，劉佳興，郭　航，葉　芳，馬重芳

（北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院 傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，傳熱與能源利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

0　前　言

一體式再生燃料電池將燃料電池和電解池合二為一，具有比分離式和綜合式再生燃料電池更高的質(zhì)量比能量和體積比能量。目前，對(duì)一體式再生燃料電池的研究主要集中在雙效膜電極[1]、高效耐腐蝕極板[2]及擴(kuò)散層[3]等領(lǐng)域，同時(shí)也包括了探究不同的溫度、壓力、濕度等工況對(duì)電池性能的影響[4-5]，有關(guān)傳熱方面的研究報(bào)道比較少。XIAO等[6]建立二維、單相、非等溫、耦合電化學(xué)反應(yīng)的瞬態(tài)模型，研究了質(zhì)子交換膜一體式再生燃料電池模式切換過程中電池內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)情況，并計(jì)算了氫氣、氧氣、水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，獲得了電流密度、電池溫度的分布。

一體式再生燃料電池內(nèi)部溫度、熱流密度分布對(duì)電池性能有著重要影響。電池的工作過程是流體流動(dòng)、質(zhì)量傳輸、熱量傳遞、電荷傳輸和電化學(xué)動(dòng)力學(xué)的耦合，溫度與電池內(nèi)部發(fā)生的幾乎所有傳輸現(xiàn)象都有直接關(guān)系[7]。測(cè)量溫度的方法很多，熱電偶、紅外熱成像技術(shù)、電阻式溫度傳感器被用來測(cè)量電池內(nèi)的溫度分布。汪茂海等[8]利用紅外熱成像技術(shù)，測(cè)量了質(zhì)子交換膜燃料電池在不同運(yùn)行工況下的溫度分布，發(fā)現(xiàn)表面溫度的分布不均勻是流道內(nèi)流量分布不均勻所導(dǎo)致的。LEE等[9]在不銹鋼基板上濕蝕刻流道，然后在流道的肋上制造了微型溫度–電流–電壓聯(lián)測(cè)傳感器，測(cè)量了質(zhì)子交換膜燃料電池堆內(nèi)不同電池的溫度、電流和電壓隨時(shí)間的變化情況。BURHEIM 等[10]利用熱電偶進(jìn)行了非原位熱測(cè)量，得到了20℃下一種質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的熱導(dǎo)率，提出確定施加負(fù)載后多孔傳輸層的熱導(dǎo)率和接觸熱阻的方法。吳鑠等[11]利用真空蒸發(fā)技術(shù)制作了溫度–熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器，對(duì)被動(dòng)式甲醇燃料電池內(nèi)部溫度和熱通量進(jìn)行了同步在線測(cè)量，得到了放電過程中溫度和熱流的變化趨勢(shì)。上述三種方法已被用于質(zhì)子交換膜燃料電池溫度的測(cè)量。但在一體式再生燃料電池中，上述三種成熟的技術(shù)沒有被用來進(jìn)行溫度以及熱流密度的測(cè)量。一體式再生燃料電池中不同的熱源情形會(huì)造成電池內(nèi)部的溫度和熱流密度分布的差異，理解溫度和熱流密度的分布特性對(duì)于一體式再生燃料電池的熱管理有著重要意義[12]。

直至目前，尚未見公開的文獻(xiàn)報(bào)道對(duì)一體式再生燃料電池內(nèi)部的溫度、熱流密度及局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)進(jìn)行研究。因此，有必要通過實(shí)驗(yàn)的方法，獲取一體式再生燃料電池內(nèi)部局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，電池內(nèi)部產(chǎn)生的液態(tài)水會(huì)使薄膜傳感器失效。而且相對(duì)于在線研究，離線研究使得被測(cè)組件的特性可以被更為直觀地了解。本文通過非原位實(shí)驗(yàn)，利用自制的薄膜傳感器，測(cè)量不同氣體預(yù)熱溫度下一體式再生燃料電池內(nèi)部局部溫度和熱流密度，從而計(jì)算獲得一體式再生燃料電池內(nèi)部的局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1　一體式再生燃料電池實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包含以下3個(gè)部分：一體式再生燃料電池、物料供給部分、數(shù)據(jù)采集部分。本實(shí)驗(yàn)使用的膜電極有效面積為5 cm × 5 cm；流場(chǎng)板為厚度2 mm的致密鈦板，流道結(jié)構(gòu)為蛇形流道，流道寬為2 mm，深為2 mm，脊寬為2 mm。實(shí)驗(yàn)時(shí)在氫電極端板右側(cè)圓孔內(nèi)放置加熱棒對(duì)電池內(nèi)部進(jìn)行局部加熱，左側(cè)圓孔內(nèi)放置 PT100鉑電阻監(jiān)測(cè)電池的溫度。氫氣側(cè)通入氮?dú)?，流量?08 mL/min，氧氣側(cè)也通入氮?dú)?，流量?04 mL/min。

圖1　一體式再生燃料電池實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 1　Unitized regenerative fuel cell experiment system

1.2　薄膜傳感器

實(shí)驗(yàn)采用真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)制作的薄膜傳感器[12]，該傳感器可以實(shí)現(xiàn)溫度和熱流密度的同步測(cè)量，傳感器如圖2所示。薄膜傳感器的電極材料是純度為99.999%的銅和鎳，金屬薄膜厚度為0.1 μm。熱阻層材料為二氧化硅，厚熱阻層厚度為0.8 μm，薄熱阻層厚度為0.2 μm。補(bǔ)償導(dǎo)線采用與電極材料對(duì)應(yīng)的純銅絲和純鎳絲，直徑均為0.2 mm，然后用導(dǎo)電銀膠完成引線粘接。傳感器在燃料電池內(nèi)部的布置如圖3所示。在氫電極側(cè)流道內(nèi)上、中、下游各布置了1個(gè)薄膜熱電偶，分別記為測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn) 5，測(cè)量流道內(nèi)氣體溫度。氣體擴(kuò)散層表面布置了3個(gè)薄膜傳感器，分別記為測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)6，測(cè)量氣體擴(kuò)散層表面的溫度和熱流密度。

圖2　薄膜傳感器實(shí)物圖Fig. 2　Physical map of thin film sensor

圖3　傳感器在電池中的布置圖Fig. 3　The location of sensors in unitized regenerative fuel cell

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　傳感器的選擇

本文選取了3個(gè)薄膜傳感器和3個(gè)薄膜熱電偶放入電池進(jìn)行溫度和熱流密度的測(cè)量。先對(duì) 6個(gè)傳感器的溫度測(cè)量單元進(jìn)行標(biāo)定，其對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.999 70、0.999 81、0.999 77、0.999 34、0.999 76、0.999 95；然后對(duì)3個(gè)薄膜傳感器的熱流密度測(cè)量單元進(jìn)行標(biāo)定，其對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.978 70、0.996 74、0.953 80。標(biāo)定結(jié)果如圖4所示。表1給出了傳感器標(biāo)定結(jié)果的擬合公式。

圖4　薄膜傳感器標(biāo)定結(jié)果Fig. 4　Calibration results of thin film sensors

表1　薄膜傳感器標(biāo)定結(jié)果擬合公式Table 1　Fitting formula of the calibration results of thin film sensors

2.2　不同氣體預(yù)熱溫度下燃料電池非原位實(shí)驗(yàn)研究

圖5是氣體預(yù)熱溫度30℃、電池加熱溫度50℃時(shí)，測(cè)點(diǎn)4的溫度、熱流密度隨時(shí)間變化的曲線。溫度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，這是電池加熱方式造成的。當(dāng)加熱棒處溫度已經(jīng)達(dá)到50℃時(shí)，由于存在溫度梯度，鉑電阻處的溫度沒有達(dá)到50℃，因此各測(cè)點(diǎn)的溫度還會(huì)繼續(xù)上升超過50℃。當(dāng)鉑電阻處的溫度達(dá)到50℃時(shí)，會(huì)控制加熱棒停止加熱，電池內(nèi)部溫度開始下降。熱流密度整體上呈現(xiàn)出了下降的趨勢(shì)，這可能是隨著時(shí)間的變化，氣體擴(kuò)散層和流道內(nèi)氣體的溫差減小，造成了熱流密度的降低。

圖5　氣體預(yù)熱溫度30℃時(shí)，測(cè)點(diǎn)4熱流密度和溫度隨時(shí)間變化曲線Fig. 5　Curve of heat flux and temperature versus time of point 4 at 30°C

圖6和圖7是氣體預(yù)熱溫度分別為40℃和50℃時(shí)，測(cè)點(diǎn)4的溫度、熱流密度隨時(shí)間變化的曲線。結(jié)合三張圖可以看出，隨著氣體預(yù)熱溫度的升高，測(cè)點(diǎn)4能達(dá)到的最大溫度接近51.75℃。熱流密度值隨著預(yù)熱溫度升高而降低，50℃時(shí)，熱流密度的最小值接近100 W/m2。隨著氣體預(yù)熱溫度升高，流道內(nèi)氣體和氣體擴(kuò)散層表面的溫差減小，因此熱流密度值也降低。40℃時(shí)，在500 s前就已達(dá)到設(shè)定溫度停止了加熱，因此熱流密度隨時(shí)間的變化率要分別低于預(yù)熱溫度30℃和50℃時(shí)的變化率。

圖6　氣體預(yù)熱溫度40℃時(shí)，測(cè)點(diǎn)4熱流密度和溫度隨時(shí)間變化曲線Fig. 6　Curve of heat flux and temperature versus time of point 4 at 40°C

圖7　氣體預(yù)熱溫度50℃時(shí)，測(cè)點(diǎn)4熱流密度和溫度隨時(shí)間變化曲線Fig. 7　Curve of heat flux and temperature versus time of point 4 at 50°C

當(dāng)氣體預(yù)熱溫度為50℃時(shí)，測(cè)點(diǎn)6的熱流密度以及測(cè)點(diǎn)5的溫度隨著時(shí)間變化的情況如圖8所示。測(cè)點(diǎn)5更靠近加熱棒處，因此，測(cè)點(diǎn)5的溫度最高。當(dāng)氣體預(yù)熱溫度為50℃時(shí)，測(cè)點(diǎn)6的熱流密度要高于測(cè)點(diǎn)4的熱流密度。這是因?yàn)橄掠翁幍臏囟忍荻入m然小于中游處，但下游處流道內(nèi)氣體和氣體擴(kuò)散層表面的溫差比中游處大，因此測(cè)點(diǎn)6的熱流密度要高于測(cè)點(diǎn)4的熱流密度。相同氣體預(yù)熱溫度下，流道內(nèi)氣體和氣體擴(kuò)散層內(nèi)的溫差對(duì)換熱量的影響要大于溫度梯度對(duì)換熱量的影響。隨著時(shí)間的推移，流道內(nèi)氣體和氣體擴(kuò)散層表面溫差減小，測(cè)點(diǎn)6的熱流密度也呈現(xiàn)出了下降的趨勢(shì)。

圖8　氣體預(yù)熱溫度50℃時(shí)，測(cè)點(diǎn)6熱流密度及測(cè)點(diǎn)5溫度隨時(shí)間變化曲線Fig. 8　Curve of heat flux of point 6 and temperature of point 5 versus time at 50°C

通過測(cè)量得出測(cè)點(diǎn) 1、測(cè)點(diǎn) 2的溫度，以及測(cè)點(diǎn) 2的熱流密度，根據(jù)式（1），可以計(jì)算出測(cè)點(diǎn) 2的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h：

其中，q為通過測(cè)點(diǎn)2的熱流密度，W/m2；Δt為測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的溫度差，即流道內(nèi)氣體和氣體擴(kuò)散層表面的溫度差，K；h為測(cè)點(diǎn)2的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)。

圖9和圖10分別給出了氣體預(yù)熱溫度為30℃和40℃下，溫度、熱流密度和局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨時(shí)間的變化情況。測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2之間的溫差始終在3°C左右，即流道內(nèi)的空氣和氣體擴(kuò)散層表面的溫差始終在3°C左右。由圖中可以看出，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h隨著時(shí)間的推移逐漸減小。在30℃時(shí)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的值在 450～750 W/(m2·K) 之間；40℃時(shí)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h在 450～650 W/(m2·K) 之間。氣體預(yù)熱溫度的升高對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響不大。

圖9　氣體預(yù)熱溫度30℃時(shí)，溫度、熱流密度、局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨時(shí)間變化曲線Fig. 9　Curve of heat flux, temperature and local heat transfer coefficient versus time at 30°C

圖10　氣體預(yù)熱溫度為 40℃時(shí)，溫度、熱流密度、局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨時(shí)間變化曲線Fig. 10　Curve of heat flux, temperature and local heat transfer coefficient versus time at 40°C

3　結(jié)　論

采用自制的薄膜傳感器對(duì)一體式再生燃料電池進(jìn)行了非原位實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：

（1）自制薄膜傳感器的溫度測(cè)量單元和熱流密度測(cè)量單元的線性度好，能滿足實(shí)驗(yàn)的要求。

（2）靠近加熱棒處的溫度最高，熱流密度最低。相同的氣體預(yù)熱溫度下，流道內(nèi)氣體和氣體擴(kuò)散層內(nèi)的溫差對(duì)換熱量的影響要大于溫度梯度的影響。

（3）在不同的氣體預(yù)熱溫度下，流道內(nèi)空氣和氣體擴(kuò)散層表面的溫差始終維持在 3℃左右，溫差的減小會(huì)使得熱流密度呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。根據(jù)測(cè)得的溫度和熱流密度，計(jì)算出了氣體擴(kuò)散層局部表面換熱系數(shù)。氣體預(yù)熱溫度的升高對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響不大。