質子交換膜燃料電池性能熱管理研究概述

中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司 王旭 張睿 王旭敏

質子交換膜燃料電池的性能對溫度非常敏感，溫度能夠直接影響燃料電池內部水成分的運輸，同時也會影響質子交換膜氣體的滲透性；另外溫度還將對催化劑的活性、燃料氣體的擴散及“水淹”現象產生顯著影響，對燃料電池溫度管理的研究能夠有益于提升質子交換膜燃料電池性能的提升。

質子交換膜燃料電池系統主要由以下幾個部分組成：PEMFC反應堆、氫氣供給系統、空氣供給系統、水熱管理系統和控制系統等。熱管理系統作為決定電池性能好壞和效率高低的關鍵之一，主要作用是將電池內多余的熱量散出，讓整個系統處于熱平衡狀態，從而使電池處于最佳的運行工況[1]。

目前對質子交換膜燃料電池熱管理的研究有很多，主要包括溫度對燃料電池運行特性的影響、電池內部熱量來源的分析、電池內部溫度的分布規律、對電池溫度的控制等。而這方面的研究手段也非常多變，除了傳統的試驗方法，還有借助于數理工具對燃料電池進行靜態或動態建模，研究燃料電池內與溫度相關的問題，最終達到優化參數控制的目的等。總之，研究范圍相對廣泛。

試驗研究

在文獻中，與溫度相關的報道屢見不鮮。王文東[2]以 Nafion?112質子交換膜燃料電池(PEMFC)為對象，通過測量電池工作的“電流－電壓”、“電流－功率”和“電壓－時間”曲線，研究溫度等條件對電池性能的影響，以電池的能量轉換效率及短期運行時的穩定性為反饋，最終得出了電池較佳的工作溫度條件；而謝晉[3]同樣通過實驗的手段，在分析溫度、濕度參數對電池影響的基礎上，還進一步探討了控制PEMFC溫度、濕度參數的方法；Faysal Tiss[4]等則提出結合相應的動態方程去研究一些運行參數（如負載、氣體壓力、輸入氣體的溫度）的瞬時改變對燃料電池的影響，得出影響電池運行的主要因素是負載以及工作溫度；Mozhdeh Noorkami[5]也直接指出溫度是電池運行時的一個重要影響因素，水的運輸直接受到溫度的影響，溫度能影響電解質中質子的流動、極板中水的流入和流出，甚至能改變水淹的傾向；Aboubakr M.Abdullah[6]在研究中得出結論，溫度梯度與觀察到的性能的燃料電池相關。通過文獻查閱發現，電池的性能和耐久性受溫度的影響十分明顯，在一定范圍內，當電池溫度升高時，電池的性能將得到提高。此外，溫度還對催化劑的活性（活性提高，反應速率加快）、燃料氣體的擴散（改善氣體傳質）、質子交換膜內水分的擴散(膜電阻將減小、電導率增大)均有一定的影響；并且適當提高溫度還有利于陰極反應生成水的排出，從而改善電池的水淹現象。

也有文獻報道，氣體增濕溫度對燃料電池的性能有著影響，主要體現在對PEMFC陰極流道內液態水分布及排水的問題上，這一點馬海鵬[7]指出，隨著增濕溫度的升高，存水區域是由流道下部向進口擴展的。

此外，溫度也能影響質子交換膜氣體的滲透性。葉東浩[8]在一定實驗條件下，利用質量流量計測出滲透氣體的滲透量，找出不同電池溫度條件下，氫氣滲透通量與相對濕度的關系，發現提高溫度和陰陽極兩側氣體的壓力之差均能導致了膜的滲透性增加，而且氫、氧滲透量隨溫度的升高近乎呈指數增加。由上可見，溫度對燃料電池性能的影響是巨大的。為提高燃料電池的運行性能，就必須對溫度這一因素做出細致的研究。我們知道，溫度是熱量的物理表現形式，電池內部的熱源主要來源于兩個部分：第一個是由電化學反應直接或者間接產生的熱量，這部分熱量主要包含電化學反應產生的熱量、活化極化產生的熱量、歐姆極化熱和濃差極化熱等。

另一部分是電池運行過程中，一些必不可少的舉措所帶來的熱量變化，比如反應氣體加濕所帶入的熱量、冷卻過程中冷卻介質帶走的熱量、排出的氣體或者生成的水帶走的熱量以及與周圍環境所發生的熱輻射和熱交換等[9]。

這些熱量的產生與轉化伴隨著整個電池的反應過程，共同決定著電池的運行特性，同時也在電池的熱管理系統中擔當著重要的角色，并為電池創造了一個最佳的工作溫度范圍，電池只有處于此溫度范圍內時，才能行使最佳的運行工況，如果電池溫度過低，將導致電極內的極化現象加劇，輸出電壓降低，從而使電池性能惡化；如果溫度過高，將導致電池膜脫水、收縮甚至破裂，強度會有一定的降低，而且燃料氣體中的水蒸氣分壓會升高，造成稀釋反應氣體的濃度，最嚴重時，會造成質子交換膜的失水的問題。因此，維持良好的運行溫度是維持電池內部的電化學反應能夠正常運行和質子交換膜能夠長期穩定工作的重要條件之一。不過，要實現對溫度的精確控制，除了了解前文提到的熱量來源外，還必須對溫度的分布規律、對溫度的影響和對溫度的處理控制等方面有著充分的認識。

關于溫度分布方面，通過文獻查閱，裴后昌[10]以 氫 氧燃料電池為例，通過將微型熱電偶置于陰極流場進行溫度檢測的手段，得出電池堆內最高溫度位于電池堆出口處，并指出隨著電流密度的增大，各單電池的溫差越大，同時，電池堆中各單電池間溫差也越來越大。簡棄非[11]對交指 型流場結構的質子交換膜燃料電池的溫度分布進行了研究， 對交指型流場結構的質子交換膜燃料電池在電池橫貫方向、陽極催化層、膜中心和陰極催化層進行了計算分析，得出了溫度分布規律。馬富存[12]側重于研究溫度沿膜厚方向的分布情況，經過對PEMFC一維溫度物理場的計算，得出PEMFC內部沿膜厚方向的溫度分布接近于線性分布。此外，一些國外的學者也對燃料電池內的溫度分布做了很多的研究，如Alex[13,14]對單 電池的可視化進行研究，指出了水淹區域溫度和未水淹區域溫度高低情況；O.E.Herrera[15]等人在研究中指出，當電池處于干燥條件下時，由于不均勻的反應速率以及水相的變化，不同的電流密度通過活性區域時，將導致一維平面上出現一定的溫度梯度，而這種不均勻溫度分布會導致質子交換膜和電極的降解，從而使電池性能下降；Sang-Kun Lee[16]

等通過將微型熱電偶置于氣體擴散層和膜電極組件之間測得質子交換膜燃料電池的溫度分布，指出在穩態操作條件下，陰極催化層具有最高的溫度，這是由于陰極催化層的活化過電位作為主要的熱源，而當負載電流被中斷時，陰極催化層的溫度又變為最低，這是由于水分的蒸發所致。Chin-Hsiang Cheng[17]等提出一種無損可逆的測試方法用來預測質子交換膜中碳紙與膜電極之間的界面的溫度分布。

關于對溫度影響這一方面，通過文獻查閱，周怡博[18]指出氣體擴散層（ GDL）導熱系數的各向異性可以使電池內部的溫度分布更加均勻。馬利忠[19]利用數學建模的方法，探究了操作參數對溫度分布的影響，指出電池內部溫度隨加濕溫度的提高而提高；隨工作壓力的降低而上升，并證實質子交換膜的厚度也是對電池內部的溫度有著重要影響。朱蓉文[9]則通過分析一個包含10個直流道的單電池，從氣體加濕程度入手，研究其對膜上溫度分布的影響性，指出膜上溫度的位置隨加濕程度的變化而變化，加濕程度高時最高溫度靠近進口，加濕程度低時靠近出口。涂正凱[20]在研究氫空電堆的溫度分布特性時，也探究了不同因素（電流密度、空氣流量、冷卻水流量）對溫度分布的影響規律，并得出了相應結論：在電流密度方面指出，電堆運行溫度、最大溫差、升溫速率均隨電流密度的增加而增大，原因是隨著電流密度的增加，電池性能下降，發熱量增加；在空氣流量方面指出，隨著空氣流量的減小，空氣進出口溫差減小，冷卻水溫差變大；而在冷卻水流量方面指出：冷卻水流量改變后，電堆內最高溫度、最低溫度及電堆內最大溫差均上升。

在燃料電池的溫度控制方面，溫度的控制主要體現在對電池的冷卻上，傳統燃料電池的冷卻主要有兩種形式，分別是空冷和水冷。這兩種冷卻形式優缺點不一。若采用風冷，操作方便，成本較低，結構簡單，控制起來也相對容易，有時候在電池外甚至直接接入一個電扇即可；而采用水冷，電池的運用起來較為麻煩，還需要設計相應的冷卻水流道，研究表明，不同的流道形式對電池溫度的影響不盡相同，另外電池在進行水冷時，還要對冷卻水的流量進行相應的控制，畢竟，冷卻水流量也是影響溫度分布的因素之一。而且水冷還會加大燃料電池堆的體積，使結構復雜，并加大相應的制作成本。

仿真研究

現在，隨著科學技術的不斷進步，學科之間的交叉關系也越來越密切，自動控制技術的逐漸成熟，計算機功能的更加強大，材料性能的分析愈發透徹，都為燃料電池的研究提供了極大幫助，尤其在是溫度控制方面，這一點，通過相關文獻查閱，李潔[21]設計出一種基于PLC的雙循環回路燃料電池溫度控制系統，分析了內循環回路和外循環回路調節燃料電池溫度的工作機理，提出了基于模糊PID控制算法和模糊控制算法的溫度控制策略。謝玉洪[22]在針對自增濕陰極開放式質子交換膜燃料電池時，提出采用半導體制冷片作為溫度控制裝置的方案。許志梅[23]在溫度的機理模型基礎上，設計了基于動態矩陣預測控制算法的PEMFC控制系統，使質子交換膜燃料電池能夠始終在最佳溫度點進行工作，并獲得較好的電堆輸出性能。馬天才[24]則從實用的角度，結合燃料電池發動機研發工作，提出了一套不需要精確的系統內部特性和結構參數的燃料電池溫度控制仿真模型建模方法。[25]設計了王寒電堆溫度的模糊自適應控制器，首次考慮到了單電池內部水的傳輸與熱傳輸的耦合問題。

此外，在對燃料電池熱管理的研究中，數學建模也是一種常用的辦法。借助建模手段，可以了解到電池內各傳遞反應的總體過程，從而更加靈活地調整設計的方案，優化相應的參數，還可以預測到各種工況條件下電池的工作性能，另外，數學建模還能為電池的結構優化和性能提高做相應的理論指導。但值得注意到是，由于PEMFC系統是一個多相變、多維流動的傳質和傳熱的過程，因此在對不同的電池特性描述時，所采用的數學模型不盡相同。有忽略電池內部的復雜過程，直接以整體為基礎，用時間函數來描述的辨別模型；也有利用基本的電化學反應方程和能量傳遞規律來描述電池內部各個特征的機理模型，這兩種模型優缺點各異，但相對前者，后者還需要建立在一個比較合理的假設基礎上，而且需要方程的聯立求解，并且復雜程度隨參數增加而增加。

在模擬方面，各種研究內容也是推陳出新、層出不窮，通過文獻查閱，薛坤[26]等運用Fluent的PEM模塊研究了不同的氣體加濕程度分別對燃料電池溫度分布和性能的影響。孫福龍[27]建立了質子交換膜燃料電池的電化學模型，運用MATLAB軟件對其進行求解和仿真，證實了在一定范圍內，提高溫度將有利于電池對外輸出的電壓。陳雪嬌[28]建立空冷型燃料電池電堆溫度模型，采用GPC控制器建立溫度控制系統，并提出一種改進的廣義預測控制算法，減少了計算量和控制過程中的超調。李曦[29]建立了PEMFC電堆 的工作溫度與運行參量之間的定量關系模型，為建立面向控制的PEMFC溫度非線性模型提供了一種新思路。

結語

綜上所述，熱管理是影響質子交換膜燃料電池運行性能的關鍵因素，除此之外，它還與操作條件（如：濕度、壓力）；燃料電池結構（如：冷卻流道設計）；參數控制（如：電流密度、冷卻水流量）等因素一起決定著電池性能的好壞。對燃料電池運行性能的研究，無論是從影響因素，到影響機理；還是從理論探究，到實驗設計，再到建模分析，都已經在國內外掀起了一陣陣的科學熱潮，有非常多的國內外學者都對其進行了相關的研究工作，并獲得了一定的研究成果。