雜化氮化硼復合相變微膠囊懸浮液的設計及在PEM 燃料電池冷卻中的應用

摘 要：為解決燃料電池液冷介質熱電性能的兼容問題，該文設計制備了一種基于雜化氮化硼復合相變微膠囊的潛熱型功能流體。通過系統的測試和表征對比了多種相變微膠囊和懸浮液樣品的物性和換熱能力，并將功能流體應用于質子交換膜（PEM）燃料電池冷卻過程中，分析了相變微膠囊的摻混濃度對電堆輸出特性的影響。結果表明： 相變微膠囊的加入最高可以使基液的換熱能力提高3.61倍，而對PEM燃料電池輸出性能的提升可高達8.6%。相比之下，20 %重量百分比濃度的懸浮液綜合性能最優，在恒流工況中可將電壓變化幅值控制在0.02 V，在變載工況下能有效將電壓過沖量以及恢復時長分別減少23.1%和13 s。

關鍵詞： 雜化氮化硼復合相變微膠囊；懸浮液；質子交換膜（PEM）燃料電池；液體冷卻

中圖分類號： TM 912 文獻標識碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.06.008

近年來能源轉型遍布各行各業，其中交通運輸行業作為化石能源消耗大戶，促使傳統內燃機向電機發展已經成為不可逆轉的趨勢[1]。在眾多新能源汽車中，燃料電池汽車憑借其工作溫度低、噪聲小、能量轉化率高、無碳排放等優點脫穎而出[2-5]。

質子交換膜（proton exchange membrane，PEM）燃料電池作為該類汽車的動力核心，內部存在著多組分、多尺度、多相的復雜傳熱傳質過程，因此溫度分布很大程度上影響著其輸出性能[6]。通常PEM燃料電池的工作溫度在60～90 ℃ [7]，適當的工作溫度有利于催化劑活性和電化學反應速率的提高[8]。目前，針對質子交換膜燃料電池最有效的冷卻方式是液體冷卻[9-14]，為解決一般冷卻劑換熱能力不足的問題，國內外學者圍繞冷卻劑的改進進行了許多研究。MA haoran等[15]對比了去離子水、Syltherm800導熱油、液態金屬和Al2O3納米流體4種冷卻劑的傳熱性能以及對燃料電池電性能的影響，發現使用液態金屬作為冷卻劑時，燃料電池的溫度均勻性有所提高，并且能顯著降低歐姆電阻。M. N. I. Johari等[16]將Al2O3-SiO2雜化納米顆粒分散在綠色生物乙二醇中作為燃料電池冷卻劑，發現配比為30∶70的混合納米流體具有最高的導熱系數，且對其水力性能的影響最小。R. Islam等[17]通過數值模擬，計算了在2.4 kW PEM燃料電池中使用水-乙二醇基ZnO納米流體對燃料電池傳熱性能以及電性能的影響，相較于基液可以將散熱器體積減小27%。針對現有冷卻劑冷卻能力不足的問題，金屬氧化物納米流體的應用為此提供了較好的解決方案，但是當前的研究局限于低濃度納米流體，換熱能力的提升比例有待進一步提高。相變微膠囊懸浮液[18-19]作為一種高換熱能力流體，在動力電池的液冷系統中已有廣泛的研究[20]，但在質子交換膜燃料電池熱管理領域中少見報道，其原因是現有材料通常具有導電性，無法直接應用。因此，開發能大幅度強化換熱能力且高度絕緣的功能流體是一項十分有意義的工作。

為了解決相變微膠囊懸浮液在燃料電池應用時熱電性能的兼容問題，本文設計制備了一種雜化氮化硼復合相變微膠囊，確定出殼核的最佳配比形成了一種全新的潛熱型功能流體，并對微膠囊和懸浮液的熱、電性能進行綜合測試分析。在此基礎上，重點考察了微膠囊顆粒的添加比例對對燃料電池冷卻性能以及輸出性能的影響，從而為液冷熱管理的有效實施提供一條可行的技術路線。

1 材料設計與制備

為了強化傳統液冷型燃料電池的冷卻能力并提高輸出性能，本文選擇了以相變微膠囊懸浮液替代一般冷卻劑的解決方案。由于相變材料采用膠囊封裝形式，可解決使用過程中易泄漏、易膨脹的問題；形成潛熱型功能流體后，能夠依據材料發生相變時的高潛熱吸收特性以及微對流效應，給電堆創造良好的工作環境。

1.1 材料選擇和設計

本文的相變微膠囊在芯材上選取了熔點為58 ℃的石蠟，以多孔氮化硼作為吸附石蠟的框架，輔以片狀氮化硼進行補充封裝，利用π-π 鍵相互作用實現二者的自組裝，并形成一種片狀/ 多孔氮化硼的雜化殼，最終形成一種導熱能力高、電安全性強、穩定性好的新型相變微膠囊。考慮到氮化硼在去離子水中的分散性較差，且制備的相變微膠囊密度低于去離子水，故選取了50% 的乙醇水溶液作為基液，與顆粒有相似的密度，故微膠囊顆粒可均勻分散于基液中形成更為穩定的懸浮液。

1.2 材料制備方法

如圖1 所示，本文使用乳化固化法制備相變微膠囊，并通過攪拌和超聲分散的方法制備相變微膠囊懸浮液，制備過程如下：

1） 使用苯乙烯-馬來酸酐共聚物顆粒、NaOH和去離子水制成乳化劑；將適量石蠟乳化劑放在燒杯中攪拌，得到穩定的油/水相乳液。

2） 將多孔/ 片狀氮化硼混合，加入無水乙醇，超聲分散形成穩定無沉淀的分散液。

3） 將氮化硼分散液加入上述油/ 水相乳液，攪拌后洗滌干燥，得到相變微膠囊。

4） 稱取一定量的微膠囊樣品，添加至50% 乙醇水溶液中，攪拌后超聲分散，使其形成均勻穩定的相變微膠囊懸浮液。