Dry-out characteristics of flat-plate pulsating heat pipe for proton exchange membrane fuel cell cooling

燃料电池常被誉为未来的清洁能源解决方案，能够仅以电能和水作为副产物来驱动汽车和潜艇。然而，像任何产生能量的机器一样，它们也会产生大量的废热。如果这些热量不能被高效移除，其脆弱的内部薄膜可能会干涸并失效，或者化学反应会减慢直至停止。挑战在于，这些设备必须在非常狭窄的温度窗口内运行：太热，它们会损坏；太冷，它们则无法工作。目前的冷却系统依赖于泵将液体冷却剂推入电池堆，但这种方法消耗了燃料电池产生的很大一部分能量，并且需要复杂且沉重的机械装置。工程师们长期以来一直在寻找一种被动替代方案，即一种无需运动部件、利用流体沸腾和冷凝的自然物理特性来移动热量的系统。

中国常州大学的研究人员调查了一种被称为平板脉动热管的特定类型被动冷却装置，以观察它是否能够应对燃料电池的极端需求。这种装置本质上是一个密封的扁平金属板，内部包含一个填充有特殊液体混合物的微小蜿蜒通道网络。当一侧受热时，液体沸腾变成蒸汽，将其自身推向较冷的区域进行冷凝，重新变为液体并流回下方。这种持续的沸腾与冷凝循环起到了超高效热传输器的作用。研究人员面临的关键问题是，该系统能否在“干涸”事件中幸存——这是一种危险的情况，即热点部分的液体供应减少或完全消失，可能导致温度失控飙升。

为了回答这个问题，团队制造了两个版本的冷却装置：一个完全由金属制成，用于测试温度和压力；另一个带有透明玻璃壁，以便他们可以使用高速摄像机观察内部流体的运动。他们用甲醇和水的混合物填充了通道，选择这种混合物是因为这两种液体在受热时的行为不同，有助于管理流动。随后，他们通过向装置底部施加不断增加的功率来模拟燃料电池的热输出，密切观察随着热量增强会发生什么。

实验结果显示出了令人安心的安全余量。随着功率增加，装置运行高效，能稳定地移走热量。然而，一旦功率超过140瓦的特定阈值，研究人员就观察到了干涸条件的开始。在这种状态下，通道内的液体无法足够快地返回热底端以保持壁面湿润。通道内的流动模式发生了剧烈变化。液体不再以大型、明显的塞状物或厚膜形式移动，而是变薄，使得通道壁大部分暴露在蒸汽中。视觉证据显示，在较低功率水平下，液体形成坚固的液塞和覆盖通道表面的厚膜，但当热量上升到160瓦时，这些特征消失了，只剩下稀疏的液滴，且通道由蒸汽主导。

尽管失去了液体覆盖，该装置并未发生灾难性的故障。与预期相反，温度并没有出现失控的飙升。相反，系统表现出了极高的稳定性。即使在干涸变得严重时，加热表面两侧的温差仍然很小，最热点与最冷点之间的温差仅为3.77摄氏度。整个表面的温度变化也非常小。这表明，即使液体供应受到影响，剩余的流体和系统的物理特性也足以防止形成可能损坏燃料电池的危险热点。

研究还追踪了装置内部的压力。随着热量增加和干涸加剧，内部压力上升，但保持通道的薄金属板结构保持完好。研究人员指出，虽然压力增加了，但装置层间的接触依然足够紧密，防止了泄漏或结构损坏。研究结果表明，这种类型的冷却系统具有内置的韧性。它并不依赖于完美、连续的液体流动来安全运行。相反，它可以在液体供应不足的情况下，依然保持其维持燃料电池处于均匀、安全温度的能力。这种鲁棒性为下一代燃料技术提供了一条通往更简单、更可靠冷却系统的可行路径，既消除了对沉重泵类和复杂管道的需求，又确保了设备在压力之下仍能保持凉爽。