适用于空间环境的质子交换膜燃料电池热管理技术研究

2021年11月4日
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摘 要:空间技术的飞速发展需要新型能源系统,质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有比能量高、无污染等特点,能够满足未来空间电源的要求。论文介绍了基于被动散热的质子交换膜燃料电池的工作原理及组成,探讨了被动式热管理单元关键技术及其相关实验验证。

引言

随着空间技术和信息技术的飞速发展,航天器在未来战争、空间科学实验等任务中具有举足轻重的作用[1]。能源系统作为航天器的重要组成部分,直接影响航天器的性能和寿命。目前,美国、俄罗斯等国已经将燃料电池作为其航天器能源系统的重要发展方向,从20世纪60年代开始,燃料电池已经在国外飞行器上得到了成功应用,并成为主要的能源供应系统,如美国的双子星座载人飞船、生物卫星、阿波罗载人登月飞船、航天飞机、俄罗斯的月球轨道器和暴风雪号航天飞机[2]。欧盟针对目前的长寿命通讯卫星需求,已着手开始可再生燃料电池作为主要能源输出的技术研究。相比于其他电池来说,燃料电池在相同的比功率条件下,具有的比能量最高。燃料电池电源系统由于其具有比能量高、灵活性好、使用成本低等优点,既可以作为航天器上的独立发电系统,又可与航天器的推进、热控、环控生保等系统共同构成一体化综合能源系统,其特点非常适用于载人航天任务。

本文针对燃料电池热管理方式并结合我国未来航天器能源需求,介绍了基于平板热管的被动式空间燃料电池热管理技术,提出了被动式热管理的核心技术和热量管理方法。

1 空间燃料电池热管理单元原理及组成

燃料电池工作过程伴随着大量废热的产生,必须进行废热排散及温度控制以保证电池工作温度,而对于空间用燃料电池而言,同时需进行节能及减重设计,目前国内针对空间燃料电池的热控制及热管理技术研究属于空白,因此,高精度控温及废热循环利用是燃料电池研究中亟待解决的关键技术。被动式热管理技术NASA Glenn研究中心正致力于发展先进的被动热管理技术,以减低用于星空探索中空间燃料电池的重量并提高其可靠性[3~7]

1.1 空间燃料电池系统组成

依据空间燃料电池电源子系统外部接口和功能,将空间燃料电池电源子系统分为三个组成部分,燃料电池电堆、辅助系统(BOP)以及控制系统。辅助系统包括气管理单元,水管理单元和热管理单元,分别控制燃料传输控制、生成水收集和利用,反应热收集和利用。空间燃料电池电源子系统总体组成如图1所示。燃料电池在电池阳极,氢气发生氧化反应产生氢离子和电子,同时从周围环境中吸收热量,氢离子渗透穿越质子交换膜到达阴极催化层,电子通过外电路输运到阴极催化层,两者在此与氧气发生还原反应生成水,并向周围环境放出热量。若不断向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气,电池即可不断向外输出电流,同时释放热量和反应生成水。

空间燃料电池的燃料由液氢液氧(占用尽可能小的体积和重量)提供,液氢液氧的温度较低,无法直接使用,液氢液氧变为气氢气氧的过程中吸收大量的热,这一部分热量采用燃料电池产生的废热则可以降低系统功耗,提高系统效率。

适用于空间环境的质子交换膜燃料电池热管理技术研究

图1 空间燃料电池系统组成框图
Fig.1 Space fuel cell system block diagram

1.2 被动式热管理与主动式热管理对比

燃料电池热量产生后需要及时从电堆中转移出去以防堆芯过热,转移热量的常规方法是通过冷却介质通入燃料电池电堆之中,通过其气液换热器或液液换热器实现热量的传递。该系统包含加热器、换热器、泵、控制器、调节阀等装置。系统复杂,且重量较大。

被动式热管理采用散热板将电堆产生的热量传导到电堆外部边缘的散热板冷却段,通过与散热板集成的换热器将热量带出电堆。

空间燃料电池充分利用航天器现有热控系统资源,利用系统热控工质对燃料电池散热,被动热管理的优势在于减低电池的重量,降低电池的复杂程度,提高电堆内部温度均匀性,进而提高其可靠性。

适用于空间环境的质子交换膜燃料电池热管理技术研究

图2 被动热管理与常规热管理对比图
Fig.2 Comparison of passive thermal management with conventional thermal management

1.3 被动式热管理单元组成

空间燃料电池被动式热管理单元采用嵌入高效散热方案,保证电堆的工作温度;同时采用废热循环利用技术实现低温液氢/氧的预加热。合理高效的燃料电池热管理可以保证燃料电池的工作效率,实现对燃料供给的温度和电堆内部温度的精确控制,保证燃料在进入电堆前达到合适的温度,且调整电堆堆芯的温度使得燃料利用率最高。

适用于空间环境的质子交换膜燃料电池热管理技术研究

图3 被动式热管理原理图
Fig.3 Passive thermal management schematic

燃料电池运行过程中产生的热量通过散热平板热管传递到热交换器;热控工质经过热交换器带走散热平板热管传递过来的热量,温度升高;其后,通过温控阀,合理分配分别与氢气路与氧气路进行热交换的工质的流量;分别进入两路的工质在双通道换热器中与低温的氢气、氧气进行热交换,氢气、氧气温度升高;最后,工质流出燃料电池电堆系统。

2 基于平板热管的被动式燃料电池热管理关键技术研究

燃料电池在工作过程中会产生非常大的热量,为保证电堆的工作温度,需将电堆运行产生的热量排散出去。本电堆系统选择被动散热方式对电堆进行热控管理。其中,被动散热的关键单机为散热板,将电堆中产生的热量快速的导出电堆,维持电堆工作温度,同时保证电堆内部温度分部均匀的关键部件。

计算可知,为满足燃料电池内部均温性满足5℃要求,散热板的导热系数必须大于1500。目前常用金属、非金属材料的导热系数都不能满足目前的导热系数要求,因此需要寻求导热系数更高的散热板。

2.1 平板热管原理

散热板选用微槽道平板热管,其原理为利用内部充装介质的汽液两相相变来实现热量的传递,具体形式是内部中空,上层为蒸汽通道,下部的微槽道为液态工质通道。平板热管密封时先将平板热管内抽至真空状态,再充以33%~45%的液态工质,使平板热管的微槽道内充满液态工质后加以密封。平板热管的一端为蒸发段(加热段),另一端为冷凝段(冷却段)。当平板热管的一端受热时微槽道中的液体蒸发汽化,蒸汽在的压差下流向另一端放出热量凝结成液体,液体再沿微槽道,靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已,热量由平板热管的一端传至另一端[8~10]

平板热管在实现热量转移的过程中,包含了以下六个相互关联的主要过程:①热量从热源通过平板热管板壁和充满工作液体的微槽道传递到(液-汽)分界面;②液体在蒸发段内的(液-汽)分界面上蒸发;③蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段;④蒸汽在冷凝段内的(液-汽)分界面上凝结;⑤热量从(液-汽)分界面通过液体和板壁传给冷源;⑥在微槽道内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。

平板热管是依靠自身内部液态工质的相变来实现传热的传热元件,具有以下基本特性:

(1)很高的导热性。平板热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热,热阻很小,因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比,单位重量的平板热管可多传递几个数量级的热量。当然,高导热性也是相对而言的,温差总是存在的,不可能违反热力学第二定律,并且平板热管的传热能力受到各种因素的限制,存在着一些传热极限;平板热管的轴向导热性很强,径向并无太大的改善。

(2)优良的等温性。平板热管内腔的蒸汽是处于饱和状态,饱和蒸汽的压力决定于饱和温度,饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小,根据热力学中的方程式可知,温降亦很小,因而热管具有优良的等温性。

(3)热流密度可变性。平板热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积,即以较小的加热面积输入热量,而以较大的冷却面积输出热量,或者平板热管可以较大的传热面积输入热量,而以较小的冷却面积输出热量,这样即可以改变热流密度,解决一些其他方法难以解决的传热难题。

2.2 平板热管设计

在65°温度工作点上,适用的液体工质有乙醇,甲醇,丙酮,水,液氨。综合考虑各液体工质的饱和蒸汽压,根据工作液体的传输因素表,在平板热管的工作点上,最终选取丙酮为产品最终介质。

与传统槽道热管相同,平板热管也存在传热极限,分别为黏性极限,声速极限,携带极限,毛细极限,冷凝极限,沸腾极限,连续流动极限,冷冻启动极限。上述传热极限中,毛细极限,声速极限和沸腾极限时最常遇到的问题。

燃料电池用平板热管相比于圆柱形槽道热管而言,承压能力较差,因此热管内部的压力要保证系统处于常压或者低压差范围内工作。否则平板热管的壁厚将会增大,重量和有效热导率将会降低。

2.3 试验验证与测试结果

为测试设计平板热管的实际性能,设计了5单元燃料电池实验系统。对燃料电池四周采用保温材料进行包裹,确保热量全部通过平板热管从热端传递到冷端。其中,测试5单元燃料电池被动热控的适应性以及获得的电压电流性能,冷却系统是一个冷却水循环,通过泵驱动水箱中的水通过冷凝装置,带走平板热管传递过来的热量。在平板热管以及电池单元表面上沿传热方向布置多个热电偶,通过数据采集器实时监测各测点温度的变化,传送到计算机中储存。

试验证明采用平板热管的被动散热方式能够满足燃料电池电堆系统的接口需求,同时,采用被动散热的燃料电池电堆系统在额定工况下可以良好的保持电堆运行,平板热管将电堆内部产生的大量的废热成功导出,同时,平板热管还有继续优化和提升性能的空间。

适用于空间环境的质子交换膜燃料电池热管理技术研究

图4 5单元燃料电池电性能曲线
Fig.4 Five unit fuel cell electrical performance curve

3 结论

随着未来航天技术发展,载人登月、深空探测、地外驻留平台的发展等都需要以燃料电池为代表的新型能源系统。基于被动散热空间燃料电池能够满足宇航任务对电池重量体积小、性能优良、可靠性高的要求,是未来空间电源的发展趋势。

作者:谢 文1,刘建峰1,马勇杰2,李 鹏1,李磊磊1,张玉良1

1.北京卫星制造厂

2.北京智能机械创新设计服务工程技术中心

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