高效空間應用燃料電池熱能利用技術研究

馮 磊, 謝 文, 文 陳, 崔慶新, 白晶瑩

(北京衛星制造廠有限公司，北京 100094)

0 引言

燃料電池工作過程伴隨著大量廢熱的產生，必須進行廢熱排散及溫度控制以保證電池工作溫度[1-3]，而對于空間用燃料電池而言，需要同時進行節能及減重設計。目前,國內針對空間燃料電池的熱控制及熱管理技術研究屬于空白，國外NASA的格林實驗室基于被動散熱燃料電池技術進行了相對系統性的工作，但該技術尚未進行飛行驗證。高精度控溫及廢熱循環利用是燃料電池研究中亟待解決的關鍵技術。此關鍵技術包括2個方面需求。

1)高精度控溫。電堆工作時，為保證高工作效率，需將電堆溫度控制在60℃～80℃[4]、單電池板溫度均勻性在±3℃內、電池板間溫度差控制在±5℃內，因此必須研發最優的熱排散方法及控溫策略。

2)節能設計-廢熱利用。利用燃料電池的廢熱加熱自身反應氣，減小外部能源需求，通過借鑒美國航天飛機經驗[5]，將電堆產生的40%左右的廢熱進行循環利用，通過空間燃料電池冷熱一體化熱設計技術攻關[6]，實現電堆廢熱與燃料溫度控制的結合，將大大提高燃料電池的效率，并減低所需的外部能耗。

1 總體設計

燃料電池工作過程伴隨著大量廢熱的產生，必須排散廢熱確保燃料電池的工作溫度控制在要求范圍。同時，循環利用燃料電池運行過程中產生的廢熱，對反應氣體進行預熱，減少對外部供熱的需求，提高發電效率。因此，設計燃料電池的熱管理方案成為設計的關鍵環節。

燃料電池熱管理單元采用被動嵌入式高效散熱方案，保證電堆的工作溫度；同時采用廢熱循環利用技術實現低溫液氫/氧的加熱。合理高效的燃料電池熱管理可以保證燃料電池的工作效率，實現對燃料供給的溫度和電堆內部溫度的精確控制，保證燃料在進入電堆前達到合適的溫度，且調整電堆堆芯的溫度使得燃料利用率最高。

圖1為燃料電池熱管理系統原理圖，燃料電池運行過程中產生的熱量通過散熱冷板傳遞到熱交換器；工質(水)經過熱交換器帶走散熱冷板傳遞過來的熱量，溫度升高；其后，通過流量調節閥，合理分配分別與氫氣路、氧氣路進行熱交換的工質流量；分別進入兩路的工質在雙通道換熱器中與低溫的氫氣、氧氣進行熱交換，氫氣、氧氣溫度升高；最后，工質流出燃料電池電堆系統。

通過這一熱控流路，實現燃料電池電堆的溫度控制以及燃料電池燃料的預加熱，從而保證燃料電池在合適的溫度條件下高效工作。

圖1 燃料電池熱管理系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of heat management on fuel cells

2 高效散熱技術

燃料電池在工作過程中會產生非常大的熱量，為保證電堆的工作溫度，需將電堆運行產生的熱量排散出去。本電堆系統選擇被動散熱方式對電堆進行熱控管理。其中，被動散熱的關鍵單機為冷板，冷板是將電堆中產生的熱量快速導出電堆，維持電堆工作溫度，同時保證電堆內部溫度分部均勻的關鍵部件。

冷板在燃料電池堆內部安裝時，可在冷板表面貼流道等極板組件，使處理后的冷板作為電池的一個極板與燃料電池膜電極之間直接接觸。也可以將冷板作為獨立單元，安裝于極板與極板之間。

在燃料電池的運行過程中，冷板的導熱系數、散熱端面數量以及冷板尺寸對電堆溫度場的分布有重要影響。因此，對插入不同導熱系數冷板采用不同散熱端面數和不同冷板尺寸的電堆進行溫度分布的仿真分析。且在仿真分析中，考慮電池單元與冷板接觸面的接觸熱阻。

2.1 冷板單端散熱

采用一端散熱的冷板與燃料電池集成示意圖如圖2所示，冷板尺寸、電池尺寸及片數等具體參數如表1所示。

計算結果如表2所示，給出了單端散熱時，冷板導熱系數對電堆溫度場均布的影響。從表2中不難發現，隨著冷板導熱系數的增大，電池堆的最大溫差逐漸減小，當導熱系數在1000W/(m·K)～3000W/(m·K)時，電堆發熱部分的整體溫差可控制在3.1℃～8.8℃。

圖2 單端散熱電池堆模型圖Fig.2 Diagrammatic figure of stack of one-side heat dissipation

表1 單端散熱電堆模型幾何參數表

表2 單端散熱時冷板導熱系數對電堆溫度場均布的影響

2.2 冷板兩端散熱

兩端散熱電池堆計算模型圖如圖3所示，兩端散熱的冷板尺寸和電池尺寸及片數等參數如表3所示,表4給出了冷板采用兩端散熱時，不同冷板導熱系數和不同長寬比對電堆溫度場均布的影響。

表3 兩端散熱時不同電池尺寸的電堆模型參數表

表4 兩端散熱時冷板導熱系數對電堆溫度場均布的影響

由表4可見，當冷板導熱系數為1000W/(m·K)時，冷板兩端散熱的電池堆發熱部分溫度場最大溫差為4.4℃，在外部冷卻條件一致的情況下，比采用相同導熱系數下單端散熱的電堆，最大溫差下降了一半。在相同導熱系數和電池發熱面積下，單片電池的長寬比越大，電堆的溫差越小。圖4為不同長寬比下電池的溫度分布圖。

(a)單片尺寸1

(b) 單片尺寸2圖3 兩端散熱電池堆計算模型圖Fig.3 Diagrammatic figure of stack of two-side heat dissipation

(a)單片尺寸：200mm×135mm

(b) 單片尺寸：270mm×100mm圖4 不同長寬比下電池的溫度分布圖Fig.4 Temperature distribution diagram of stack on different length-width ratio

3 廢熱綜合利用技術

電堆在工作過程中會不斷地產生熱量，同時需對進入電堆的反應氣體進行加熱，以保證工作效率。尤其是以低溫燃料(液氫液氧)作為推進劑的未來航天器中，如何利用燃料電池廢熱將低溫燃料轉變為適合燃料電池工作所需求的燃料是一項關鍵技術。具體實現其過程的主要單機為雙通道換熱器。

3.1 雙通道換熱器結構設計

由于進入燃料電池電堆的氣體溫度要求不低于20℃，而將燃料供給的低溫液氫和低溫氫氣以及低溫液氧和低溫氧氣轉換成上述溫度需大量的熱量。因此，在燃料電池啟動時需電加熱來實現，但若在全壽命期間均使用電加熱實現燃料的狀態及溫度的變化，將大大降低燃料電池的效率。而電池正常工作下將產生40%的廢熱，利用該部分廢熱將大大提高電池的效率。

為利用燃料電池的廢熱加熱自身反應氣體，減小外部能源需求，設計了高效雙通道換熱器。低溫氫氣或氧氣進入雙通道換熱器，與帶走燃料電池運行過程中所產生廢熱的熱控工質進行熱交換，加熱低溫氫氧燃料，從而實現廢熱利用。

由于換熱器用于氣體和液體間的熱量交換，考慮到氣體表面傳熱效率低，如何提高氣體側的換熱效果，對雙通道換熱器的性能有至關重要的影響。因此，對能有效擴展氣體側換熱面積的多孔芯式換熱器進行研究計算。

與傳統氣液換熱器相比，依靠微孔高的比表面積，一方面可以提高一次換熱有效面積;另一方面可以提高肋效率，實現氣液之間的高效傳熱。

3.2 雙通道換熱器性能仿真

雙通道換熱器利用燃料電池反應產生的廢熱來加熱反應氣體，提高氣體入電堆的溫度，減少外部熱量輸入，提高能量利用率。

雙通道換熱器由換熱器端蓋，換熱器內、外筒，換熱器內、外芯等主要部件構成，換熱器內、外芯材質為鋁，其他部件材質為鋼，結構模型如圖5所示。流體從入口流入后，經過內、外芯小孔在內筒壁面兩側進行熱量交換。

圖5 雙通道換熱器結構模型圖Fig.5 Diagrammatic figure of structure of two-channel heat exchanger

為研究該換熱器的換熱性能，對采用內流道走液或外流道走液兩種流動方式以及32L/min(標況)、20L/min(標況)兩種氣體流量共4種工況進行仿真計算，32L/min(標況)、20L/min(標況)兩種流量分別對應于氫氣、氧氣在正常工作時的氣體消耗量，模擬實驗時為保證安全采用氮氣(N2)代替，4種工況如表5所示。

表5 雙通道換熱器換熱性能仿真分析輸入參數表

對以上4種工況進行了仿真分析計算，溫度分布如圖6所示。從圖6中可以看出，液體側溫度變化較小，氣體側溫度變化較大。這是因為氣體的比熱容較小，帶走相同熱量的情況下溫升較大。由于氣體側的換熱較差，為增強換熱，提高換熱量，需要擴展氣體側換熱面積。

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

(d) 工況4圖6 各工況下雙通道換熱器溫度場分布Fig.6 Temperature distribution of two-channel heat exchanger on different conditions

表6為雙通道換熱器換熱性能仿真分析結果。從表6中可以看出，氣體走外流道、液體走內流道時換熱量比液體走外流道、氣體走內流道時換熱量大。這是由于氣體的換熱系數相對液體小，為提高換熱量，需增大氣體側的換熱面積，氣體走外流道時的換熱面積遠大于走內流道時的換熱面積，因此在相同流量和其他邊界條件下，氣體走外側換熱得到強化，換熱器的換熱能力得到提升。N2流量為32L/min(標況)時，N2溫升可達30.1℃，換熱量為21.5W，且此時H2O側的進出口壓降遠遠小于同流量氮氣下H2O走外流道時的壓降；N2流量為20L/min(標況)時，N2溫升可達27.7℃，H2O側的進出口壓降為5.18kPa，兩種流量下滿足N2溫升大于20℃的要求，且氣走外流道、液走內流道時流阻較小，能量損失小。

表6 雙通道換熱器換熱性能仿真分析結果

為測試雙通道換熱器的流動與換熱特性，搭建實驗系統。系統分為氣體回路和液體回路兩個部分。液體回路采用水為工質。氣體回路采用N2為工質，為提高換熱效率，采用逆流的方式。在換熱器的氣液進出口布置測溫點，在氣路的進出口布置壓力傳感器測量進出口壓力，采用質量流量計測量氣液兩路的流量。

測試液體回路體積流量為520mL/min時，不同氣體體積流量對應的換熱器氣測換熱系數。其中，表7列出了氣體體積流量由10.1L/min增至35L/min時對應的氣體側溫升和氣側換熱系數。圖7顯示了氣側換熱系數隨氣體體積流量的變化關系。發現隨氣體體積流量的增加，氣側換熱系數不斷提高，且二者呈線性關系。

表7 換熱器性能指標

圖7 氣側換熱系數隨氣體體積流量的變化關系Fig.7 The variation curve between heat transfer coefficient and volume flow of gas

根據實驗測得的換熱器系能，表8對實際情況下的換熱效果進行了預測，在液體溫度達到40℃下，氣體體積流量為20L/min和32L/min，氣體溫度均能由0℃升至20℃以上，且體積流量為20L/min時氣體溫度更高。

表8 換熱器換熱加熱效果預測

4 結論

根據仿真和試驗驗證分析可以得到以下結論:

1)采用嵌入式被動散熱措施和雙端散熱微槽道冷板方式，實現電堆內部最大溫差小于5°。

2)冷板導熱系數的高低直接影響燃料電池被動散熱控溫能力。

3)與傳統管套式換熱器相比，使用多孔式換熱器可以在較小的體積下實現相對高效的氣液換熱。