燃料电池水热管理的技术研究

赵萌 刘世通 苏东超 李旭

摘要：保持氢燃料电池的水平衡和热平衡对于电池的输出性能和寿命十分重要，但是其内部的传热传质过程较为复杂，至今仍在不断探究之中，本文对现有的水管理和热管理的技术措施做了分类归纳和论述，为以后的研究提供导向作用。

Abstract： Maintaining the water balance and heat balance of a hydrogen fuel cell is very important to the battery's output performance and life， but its internal heat and mass transfer process is more complicated， and it is still being explored. This article discusses the existing water management and thermal management Technical measures are classified， summarized and discussed to provide guidance for future research.

关键词：PEMFC;水管理;热管理;技术措施

Key words： PEMFC;water management;thermal management;technical measures

中图分类号：TM911.47                                 文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）15-0063-02

1  背景

在全球的能源结构向清洁、低碳、环保转型的过程中，以氢气为燃料，基本上零排放、无污染、大功率、长续航的氢燃料电池车得到企业和国家的格外关注，甚至被认为是新能源汽车的终极方案。2020年4月，财政部发表《开展燃料电池汽车示范推广征求意见稿》，重点围绕燃料电池汽车关键零部件的核心技术攻关，对其进行鼓励和支持[1]。但是，燃料电池的发展目前仍受制于性能、寿命和成本，成为推进燃料电池商业化进程的必须攻克的难关。

2  水热管理的必要性

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是以氢气和氧气在电池内发生氧化还原反应的方式，直接将化学能转化为电能来为汽车提供动力。它避免了传统燃油车在进行能量转化时损失较大热机环节，因而能量转化效率非常可观，可达到60-80%。制约效率继续增长的因素是电池内的水平衡和热平衡难以建立，质子交换膜电导率与水含量密切相关，一般来说，只有与膜结合状态的水才能起到积极的作用，过少不能满足膜良好润湿条件，传质阻力增大;过多则会导致“水淹”现象，堵塞反应气的扩散孔道，严重影响电池的性能。再者，氢离子的电渗拖拽作用使得本就生成水的阴极极易产生水淹现象，而阳极则十分缺水，造成了电池内水分布的不均匀。要保持电池输出性能和寿命，我们既需要保持膜的高水合度，保证电导率，也要及时排除过多的水，避免水淹，同时还要保证电池整个范围内水分布的平衡。热管理在电池内也是十分重要的，PEMFC工作过程中会产生一定的热量，在一定程度上，可以提高催化剂的活性，提高电池内化学反应速率，对冷启动也有利，但是温度升高会导致膜皱缩甚至破裂，严重会导致膜两侧气体相互掺混，电池出现安全事故。且PEMFC属于低温燃料电池，只靠与空气自然对流和辐射换热的能力是有限的，因而需要借助热管理冷却系统来及时排除废热，实现热量均匀分布。

3  水热管理技术措施

3.1 水管理技术  徐家忠等[2]归纳了燃料电池的水管理一般从三个方面来进行：燃料电池结构内部优化、合理的電池排水和反应气加湿。

3.1.1 燃料电池内部结构优化  首先一种有效的保持PEMFC内部水平衡的方式就是优化双极板的流道设计，但一般采用的平行流道气体通过自由扩散方式转移的，不能有效的带走多孔介质中的液态水。蛇形流道和交指流道排水能力较为优越，但因为其迂回曲折的流道形式和较长的流道距离，会增大气体的流动阻力，寄生功率过高。Yan Yin等[3]建立了PEMFC的模型，通过数值计算在流道中安装倾斜挡板，研究挡板的倾斜角度及挡板数量对多孔电极间传输强度的影响，结果表明，倾斜角度为45°时电池的传质能力最好，还得出在通道中安装六个挡板时，对电池的综合影响达到最佳，电池净功率最高。Chao Wang等[4]提出可以在下游区采用一种锥形流场来增加电极间气体传输速度，进而提高流道的排水能力。实验和仿真结果均证明，这种流场可以提高大电流密度下的电池性能，同时加强相邻通道肋下的对流，除去扩散层中的积水，余正琨[5]提出了一种新型的三维结构的波浪形流场，与传统的直流道对比结果显示，在0.4V电压的作用下，该结构的电流密度提高了23.8%。朱万超[6]提出一种变通道的蛇形流道，通过不同类型的渐变形式的性能结果对比，发现渐缩型流道比渐增型更能有效提高流道的工作能力，尤其渐变V型蛇形流道能有效防止水分堆积，提高电极的传质效率。

3.1.2 排水法  排水法一般采用两种形式，一种是气态排水法，利用电池结构在阴阳极之间形成气态水的浓度差，使水分子在反扩散作用向阳极运动。另一种是液态排水法，通过增加阴极的防水性，使得阴极多余出的水分以液态的形式直接排出。丰田PEMFC采用新型3D网格流道，将进气和排水的路径分离开来，以便于氧气的均匀传输和阴极生成水的及时排出，此外，为增强排水能力，丰田还提高了流体板两侧的表面亲水能力，迅速将生成水吸收到流道的背面[7]，防止阴极出现水淹和气堵现象。

3.1.3 反应气加湿法  反应气加湿法是PEMFC最常用到的水管理方法，通常有三种方式。外部加湿法是借助外加湿器将反应气在外增湿之后再送入电堆。内部加湿法是利用渗水材料等实现增湿系统安装在电堆内部的手段，但加大了电堆组装的复杂程度。自增湿法是指充分利用电化学反应生成的水来对膜进行加湿，可以进行电池自增湿的流场设计，设计复合自增湿膜，或者改变MEA的结构或制备过程等[8]。早期，注水法被认为是一种水热管理简单有效的手段，但是易造成阴极水淹，S.H.Jung等设计出一款喷雾加湿器，将液态水加热到预设的温度后，均匀的喷洒到流经加湿器的气体中[9]。Hwang等人[10]进一步的研究设计出空气辅助雾化器，以在燃料电池阴极的入口布置雾化器和空气提供管的结构，来为电堆提供超精细的喷雾。2014年12月，丰田[11]通过一种创新的细胞流场结构和膜电极组件来完成紧凑的高性能电堆。在阳极采用精密冲压形成一个整体的细间距通道流场，利用正面氢气流，背面冷却剂流这种逆流配置方式来仅使用生成的水实现内加湿每个单元的水平衡，降低布置空间的同时增强了功率密度[12]。Perma Pure公司[13][14]的FC系列加湿器利用Nafion管壁，在管束内部通干燥气体，外部通燃料电池排出的水。这种方式可以实现自调节加湿，并且在回收废水的同时也回收了余热，起到热交换器的作用。

3.2 热管理技术  燃料电池的水管理和热管理是密不可分的，水平衡影响着膜的传质能力，进而影响着反应热的生成;而热量管理影响着水分子的传输速度以及相变过程，影响着水分的生成和运输，因而高效的水热管理是保持PEMFC输出性能和寿命的重要手段。

丰田Mirai燃料电池的热管理系统[15]属于较为经典的热管理系统。冷却水泵推动冷却液在管道中流动;中冷器利用冷却液快速冷却压缩空气;节温器根据电池的散热需求来调节冷却液的循环回路;去离子器消除冷却液中的带电离子，避免高电压情况下冷却液导电对电池造成损失;散热器将冷却液的热量快速释放到环境中。

唐永华[16]借鉴不同的水热管理方案设计一款包含加湿部分和冷却水循环部分的燃料发动机水热管理系统，该系统生成的水经三通管进入氢气加湿器内，ECU检测湿度和水流量的信号来调整加湿器和冷却水泵的流量，以此保证电堆稳定运行。

王一[17]在阴极采用尾气自加湿的方法，选用定压闭式水循环的水路压力控制方案，集成了一款水热管理系统，当电堆温度高于70°时，节温器引导冷却液流经散热器快速换热。（图1）

吴魁等[18]研究高温质子交换膜的作用机理，分析比较后认为有机/无机复合膜和非水质子溶剂膜，尤其是磷酸掺杂的PBI膜是高温质子交换膜的发展方向。

4  结论和展望

PEMFC的前景是非常可观的，设计出合理的水热管理系统是解决其寿命和运行成本这两大难题的重要途径。本文内容对燃料电池的水热管理系统及方法分类做了初步的介绍，未来我们的研究方向可以是：①继续改善质子交换膜的质量，减小膜的厚度，提高膜的耐高温性能以及机械性能，是膜在高温情况下依旧可以保持较高的电导率。②对双极板的流场设计不断进行试验研究，使其朝着既可以提高进气压力又能保证及时排除废水的方向不断精进。③寻找更简单高效的增湿和冷却措施，降低系统的成本。

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