質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）除具有燃料電池一般特點(diǎn)之外，還具有低溫啟動(dòng)快、無(wú)電解液流失、水易排出、壽命長(zhǎng)、比功率和比能量高等突出優(yōu)點(diǎn)，能夠取代現(xiàn)有的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源。
圖1是一個(gè)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的示意圖。燃料供給設(shè)備一般為氫罐，進(jìn)入陽(yáng)極前先加濕及加熱；空氣供給設(shè)備（空壓機(jī)或風(fēng)機(jī)）向電池提供環(huán)境中的空氣，進(jìn)入陰極前也須調(diào)節(jié)狀態(tài)；散熱器排出冷卻液從電池堆帶出的熱量。
目前影響PEMFC技術(shù)實(shí)用化的一個(gè)重要問(wèn)題是熱量和水的管理。燃料電池內(nèi)部熱平衡與水平衡緊密相聯(lián)、互相影響，對(duì)燃料電池組的功率提升、燃料效率最佳化、燃料電池的壽命和運(yùn)行安全起著關(guān)鍵作用。
燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的水和熱的管理是相輔相成的，按照不同的回路，對(duì)電池反應(yīng)循環(huán)內(nèi)水的管理和對(duì)電池需要排出熱的管理加以了區(qū)分，希望對(duì)燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的分析和計(jì)算提供一個(gè)新穎而有效的方法。
圖1燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
一、水管理
在PEMFC中，質(zhì)子交換膜需要保持一定的濕潤(rùn)度才能保持質(zhì)子的高傳導(dǎo)性和良好的運(yùn)行特性，過(guò)干會(huì)使質(zhì)子交換膜失去傳導(dǎo)質(zhì)子的能力，電池堆中水量過(guò)多也會(huì)影響電池堆性能，造成電極水淹等問(wèn)題。Ballard和TAMU等公司對(duì)PEMFC的水管理進(jìn)行了深入研究，提出了實(shí)現(xiàn)有效水管理的多種途徑：（1）膜電極和電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；（2）對(duì)PEMFC的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行綜合調(diào)整；（3）選擇合適的質(zhì)子交換膜和碳布（紙）。當(dāng)燃料電池選定后，一般就通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制的方式來(lái)進(jìn)行管理。水管理的內(nèi)容包括反應(yīng)氣加濕、質(zhì)子交換膜內(nèi)水傳遞的控制和電池排水。
1．反應(yīng)氣加濕
為了使燃料電池穩(wěn)定、高功率運(yùn)轉(zhuǎn)，質(zhì)子交換膜應(yīng)保持濕潤(rùn)狀態(tài)，維持質(zhì)子通道并減小內(nèi)阻，質(zhì)子通道與外電路構(gòu)成了回路。膜的電導(dǎo)率強(qiáng)烈地依賴于膜中水含量，所以控制適當(dāng)?shù)乃植紝?duì)提高膜電導(dǎo)率具有十分重要的意義。水管理對(duì)于改善膜中水分布，提高PEM燃料電池的性能至關(guān)重要。因此要使燃料電池正常發(fā)電，加濕系統(tǒng)就顯得相當(dāng)重要。目前的電池加濕方法可以分為3類：（1）外部加濕法。包括簡(jiǎn)單外增濕法、直接液態(tài)水濕化法、滲透膜增濕器；（2）內(nèi)部加濕法。包括滲透膜法、多孔碳板法；（3）自加濕法。包括壓力遷移法、體流場(chǎng)改進(jìn)法、Pt-PEM膜自增濕法。目前，普遍采用膜加濕器對(duì)電池堆進(jìn)行加濕。一般計(jì)算時(shí)按照進(jìn)口濕度為100%，但實(shí)際均達(dá)不到。
2．質(zhì)子交換膜內(nèi)水傳遞的控制
對(duì)質(zhì)子交換膜內(nèi)水傳遞的控制主要通過(guò)對(duì)反應(yīng)氣的流量與壓力施加影響來(lái)實(shí)現(xiàn)。
陰極流量的影響：隨著陰極化學(xué)計(jì)量比（供給的氣體量與產(chǎn)生給定電流所需氣體量的比）的提高，電池的端電壓得到了較大幅度的提高，出口水的摩爾分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，因此膜側(cè)的水活度下降，導(dǎo)致膜中的水含量下降。由于質(zhì)子交換膜的厚度很薄，而且均為飽和增濕，膜中的水傳遞幾乎沒(méi)有什么變化。這樣，可以在不損害水管理性能的同時(shí)獲得較高的電池功率。但是陰極流量即空氣流量的增加會(huì)使空壓機(jī)負(fù)荷增大，因此需要綜合優(yōu)化以獲得最大系統(tǒng)效率。
陽(yáng)極流量的影響：相對(duì)于陰極流量而言，陽(yáng)極流量對(duì)電池電壓的影響較小。在陽(yáng)極飽和增濕的條件下，陽(yáng)極流量的加大會(huì)使膜中水含量增大，電遷移作用的增強(qiáng)和膜中水含量梯度的減小導(dǎo)致膜中水的凈傳遞系數(shù)進(jìn)一步增大。同陰極流量相比，化學(xué)計(jì)量比對(duì)水傳遞的影響與其進(jìn)口狀態(tài)有更大關(guān)系。陰極即使在飽和增濕的條件下，增大流量仍然會(huì)存在膜失水，這是因?yàn)闅怏w組分中大部分為惰性氮?dú)?。?dāng)陽(yáng)極進(jìn)口相對(duì)濕度為0時(shí)，隨著陽(yáng)極流量的加大，陽(yáng)極出口相對(duì)濕度減小，強(qiáng)烈的反擴(kuò)散導(dǎo)致水從陰極向陽(yáng)極側(cè)傳遞，PEM處于失水狀態(tài)。
從陰極和陽(yáng)極流量的分析中可以看出，增大陽(yáng)極和陰極流量都可以有效地減小擴(kuò)散層中的水摩爾分?jǐn)?shù)，而采用較干的、大流量的陽(yáng)極氣流更為有效，同時(shí)陽(yáng)極排水對(duì)電池反應(yīng)的影響更小。
壓力的影響：水在質(zhì)子交換膜內(nèi)的遷移可以用Nerst-Plank公式定量表達(dá)：
式中：nd-水的電遷移系數(shù)；Dm-水在膜中的擴(kuò)散系數(shù)；Kp-水在膜中的滲透系數(shù)；μ-水在膜中的黏度；CW，m-膜中水濃度；I-電流密度；pm-膜兩側(cè)壓力。
由該式可知，陰極室的工作壓力高于陽(yáng)極室工作壓力，有利于水從膜的陰極側(cè)向陽(yáng)極側(cè)傳遞，但這種壓差不能過(guò)大，因?yàn)槭艿诫姵亟Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和膜的強(qiáng)度制約，同時(shí)若用空氣作氧化劑，提高空氣壓力也增加了空壓機(jī)的功耗。如果兩極壓力同時(shí)提高，則反應(yīng)氣濃度增加，電池端電壓提高，同時(shí)，水蒸氣的摩爾百分?jǐn)?shù)減小，膜兩側(cè)的水活度呈現(xiàn)一個(gè)非線性變化的過(guò)程。膜中的凈水傳遞系數(shù)隨壓力的升高逐漸減小，這是電遷移和濃差擴(kuò)散相互作用的結(jié)果。
3．電池排水
PEMFC工作溫度一般低于100℃，氧的電化學(xué)還原反應(yīng)生成的水為液態(tài)水。生成的水可以通過(guò)兩種方式排出，一種為氣態(tài)排水，若反應(yīng)氣中水蒸氣的分壓未達(dá)到相應(yīng)電池工作溫度下的水蒸氣分壓時(shí)，水會(huì)氣化，隨電池排放的尾氣排出；另一種為液態(tài)排水，此時(shí)反應(yīng)氣的相對(duì)濕度已達(dá)到100%，在電極催化層生成的液態(tài)水靠壓差、重力等的推動(dòng)，傳遞到擴(kuò)散層氣相側(cè)，液態(tài)水滴由反應(yīng)氣夾帶或吹掃出電池。一般情況下，這兩種方式同時(shí)存在。
以空氣作為氧化劑時(shí)，氧氣傳質(zhì)比純氧氣作為氧化劑時(shí)更加困難，所以應(yīng)盡可能增加氣態(tài)排水份額，這樣不但有利于減少擴(kuò)散層內(nèi)液態(tài)水量，有利于氧傳質(zhì)，而且還可以利用水蒸發(fā)潛熱，減少電池排熱負(fù)荷。
如果電池系統(tǒng)采用自增濕方式，排出的尾氣需經(jīng)過(guò)冷凝器收集一部分加濕所需要的水。冷凝回收水質(zhì)量=系統(tǒng)所需水質(zhì)量-電池堆內(nèi)部凝結(jié)水質(zhì)量。
二、熱管理
燃料電池的效率一般在50%左右，即燃料電池對(duì)外輸出功率和排出的熱量是相等的，因此燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)排出的熱量很大，約為內(nèi)燃機(jī)排出熱量的2～3倍。由于質(zhì)子交換膜對(duì)溫度的敏感性，而且電池排熱溫度不高，因此對(duì)散熱系統(tǒng)提出了很高的要求。熱管理的主要任務(wù)是維持電池組穩(wěn)定工作的溫度。
熱管理對(duì)采用燃料電池作為動(dòng)力系統(tǒng)汽車的動(dòng)力性、安全性和動(dòng)力系統(tǒng)本身的壽命具有決定性影響。燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)熱管理，是從系統(tǒng)集成和整體的角度控制和優(yōu)化燃料電池汽車的熱量傳遞過(guò)程，將燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)各子系統(tǒng)、蓄電池冷卻系統(tǒng)等組成一個(gè)高效的熱管理系統(tǒng)，合理地管理并利用熱能，減少?gòu)U熱排放，提高能源利用效率，改善整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的性能和提高汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性。
燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用的排熱方式為用超純水做冷卻液循環(huán)排熱，熱管理主要對(duì)系統(tǒng)參數(shù)（如冷卻液的進(jìn)出口溫度和流量等）進(jìn)行控制。將電池組工作溫度控制在最佳范圍內(nèi)有兩種方式：最優(yōu)方式為隨電池組輸出功率的變化，改變冷卻劑流量，將電池組工作溫度控制在預(yù)置的區(qū)間內(nèi)；另一種方式為固定冷卻劑的流量，控制進(jìn)出電池組冷卻劑的溫差變化。當(dāng)采用后者時(shí)，應(yīng)依據(jù)電池組在最大輸出功率時(shí)的效率，計(jì)算冷卻劑進(jìn)出電池組的最大允許溫差下冷卻劑的最小流量，選用的冷卻劑流量應(yīng)大于這一值。為確保電池組溫度分布的均勻性，進(jìn)出口冷卻液溫差一般不超過(guò)10℃，最好為5℃。
目前一般的冷卻液循環(huán)部分的設(shè)計(jì)為：電池堆的冷卻液進(jìn)出口處設(shè)置溫度傳感器，冷卻風(fēng)扇后設(shè)置一個(gè)水流量計(jì)。冷卻液從電池堆出來(lái)后經(jīng)散熱器冷卻后再次進(jìn)入電池堆，其動(dòng)力由冷卻水泵提供?？刂茊卧鶕?jù)溫度傳感器和水流量計(jì)測(cè)到的信號(hào)來(lái)控制冷卻水泵的流量和冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，將冷卻液的進(jìn)口溫度控制在70℃左右，出口溫度控制在80℃左右，從而維持電池堆內(nèi)部的熱平衡，使電池堆高效、穩(wěn)定運(yùn)行。
熱管理系統(tǒng)特性數(shù)值仿真的主要難點(diǎn)為關(guān)鍵部件、子系統(tǒng)建模和熱管理系統(tǒng)集成動(dòng)力學(xué)模型建模。由于燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)為復(fù)雜通道、復(fù)雜邊界條件、多熱源和多目標(biāo)的流體與熱系統(tǒng)，系統(tǒng)計(jì)算分析十分復(fù)雜，目前國(guó)外在這方面的研究亦起步不久。
三、結(jié)語(yǔ)
本文將質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的水管理和熱管理定義為對(duì)反應(yīng)回路中所需水的管理控制和對(duì)冷卻回路的管理控制，便于對(duì)電池系統(tǒng)水熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析和計(jì)算。其中水管理包括反應(yīng)氣加濕、質(zhì)子交換膜內(nèi)水傳遞的控制和電池排水。熱管理的任務(wù)是通過(guò)控制冷卻循環(huán)系統(tǒng)來(lái)保持電池堆的穩(wěn)定工作溫度。進(jìn)行水熱管理的目的在于提高燃料電池的運(yùn)行效率、保障運(yùn)行安全，但要提高燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的總體輸出功率，還需針對(duì)具體的系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化工作。
（轉(zhuǎn)載）
