燃料電池水熱管理的技術研究

趙萌 劉世通 蘇東超 李旭

摘要：保持氫燃料電池的水平衡和熱平衡對于電池的輸出性能和壽命十分重要，但是其內部的傳熱傳質過程較為復雜，至今仍在不斷探究之中，本文對現有的水管理和熱管理的技術措施做了分類歸納和論述，為以后的研究提供導向作用。

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.

關鍵詞：PEMFC;水管理;熱管理;技術措施

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

中圖分類號：TM911.47? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0063-02

1? 背景

在全球的能源結構向清潔、低碳、環保轉型的過程中，以氫氣為燃料，基本上零排放、無污染、大功率、長續航的氫燃料電池車得到企業和國家的格外關注，甚至被認為是新能源汽車的終極方案。2020年4月，財政部發表《開展燃料電池汽車示范推廣征求意見稿》，重點圍繞燃料電池汽車關鍵零部件的核心技術攻關，對其進行鼓勵和支持[1]。但是，燃料電池的發展目前仍受制于性能、壽命和成本，成為推進燃料電池商業化進程的必須攻克的難關。

2? 水熱管理的必要性

質子交換膜燃料電池（PEMFC）是以氫氣和氧氣在電池內發生氧化還原反應的方式，直接將化學能轉化為電能來為汽車提供動力。它避免了傳統燃油車在進行能量轉化時損失較大熱機環節，因而能量轉化效率非常可觀，可達到60-80%。制約效率繼續增長的因素是電池內的水平衡和熱平衡難以建立，質子交換膜電導率與水含量密切相關，一般來說，只有與膜結合狀態的水才能起到積極的作用，過少不能滿足膜良好潤濕條件，傳質阻力增大;過多則會導致“水淹”現象，堵塞反應氣的擴散孔道，嚴重影響電池的性能。再者，氫離子的電滲拖拽作用使得本就生成水的陰極極易產生水淹現象，而陽極則十分缺水，造成了電池內水分布的不均勻。要保持電池輸出性能和壽命，我們既需要保持膜的高水合度，保證電導率，也要及時排除過多的水，避免水淹，同時還要保證電池整個范圍內水分布的平衡。熱管理在電池內也是十分重要的，PEMFC工作過程中會產生一定的熱量，在一定程度上，可以提高催化劑的活性，提高電池內化學反應速率，對冷啟動也有利，但是溫度升高會導致膜皺縮甚至破裂，嚴重會導致膜兩側氣體相互摻混，電池出現安全事故。且PEMFC屬于低溫燃料電池，只靠與空氣自然對流和輻射換熱的能力是有限的，因而需要借助熱管理冷卻系統來及時排除廢熱，實現熱量均勻分布。

3? 水熱管理技術措施

3.1 水管理技術? 徐家忠等[2]歸納了燃料電池的水管理一般從三個方面來進行：燃料電池結構內部優化、合理的電池排水和反應氣加濕。

3.1.1 燃料電池內部結構優化? 首先一種有效的保持PEMFC內部水平衡的方式就是優化雙極板的流道設計，但一般采用的平行流道氣體通過自由擴散方式轉移的，不能有效的帶走多孔介質中的液態水。蛇形流道和交指流道排水能力較為優越，但因為其迂回曲折的流道形式和較長的流道距離，會增大氣體的流動阻力，寄生功率過高。Yan Yin等[3]建立了PEMFC的模型，通過數值計算在流道中安裝傾斜擋板，研究擋板的傾斜角度及擋板數量對多孔電極間傳輸強度的影響，結果表明，傾斜角度為45°時電池的傳質能力最好，還得出在通道中安裝六個擋板時，對電池的綜合影響達到最佳，電池凈功率最高。Chao Wang等[4]提出可以在下游區采用一種錐形流場來增加電極間氣體傳輸速度，進而提高流道的排水能力。實驗和仿真結果均證明，這種流場可以提高大電流密度下的電池性能，同時加強相鄰通道肋下的對流，除去擴散層中的積水，余正琨[5]提出了一種新型的三維結構的波浪形流場，與傳統的直流道對比結果顯示，在0.4V電壓的作用下，該結構的電流密度提高了23.8%。朱萬超[6]提出一種變通道的蛇形流道，通過不同類型的漸變形式的性能結果對比，發現漸縮型流道比漸增型更能有效提高流道的工作能力，尤其漸變V型蛇形流道能有效防止水分堆積，提高電極的傳質效率。

3.1.2 排水法? 排水法一般采用兩種形式，一種是氣態排水法，利用電池結構在陰陽極之間形成氣態水的濃度差，使水分子在反擴散作用向陽極運動。另一種是液態排水法，通過增加陰極的防水性，使得陰極多余出的水分以液態的形式直接排出。豐田PEMFC采用新型3D網格流道，將進氣和排水的路徑分離開來，以便于氧氣的均勻傳輸和陰極生成水的及時排出，此外，為增強排水能力，豐田還提高了流體板兩側的表面親水能力，迅速將生成水吸收到流道的背面[7]，防止陰極出現水淹和氣堵現象。

3.1.3 反應氣加濕法? 反應氣加濕法是PEMFC最常用到的水管理方法，通常有三種方式。外部加濕法是借助外加濕器將反應氣在外增濕之后再送入電堆。內部加濕法是利用滲水材料等實現增濕系統安裝在電堆內部的手段，但加大了電堆組裝的復雜程度。自增濕法是指充分利用電化學反應生成的水來對膜進行加濕，可以進行電池自增濕的流場設計，設計復合自增濕膜，或者改變MEA的結構或制備過程等[8]。早期，注水法被認為是一種水熱管理簡單有效的手段，但是易造成陰極水淹，S.H.Jung等設計出一款噴霧加濕器，將液態水加熱到預設的溫度后，均勻的噴灑到流經加濕器的氣體中[9]。Hwang等人[10]進一步的研究設計出空氣輔助霧化器，以在燃料電池陰極的入口布置霧化器和空氣提供管的結構，來為電堆提供超精細的噴霧。2014年12月，豐田[11]通過一種創新的細胞流場結構和膜電極組件來完成緊湊的高性能電堆。在陽極采用精密沖壓形成一個整體的細間距通道流場，利用正面氫氣流，背面冷卻劑流這種逆流配置方式來僅使用生成的水實現內加濕每個單元的水平衡，降低布置空間的同時增強了功率密度[12]。Perma Pure公司[13][14]的FC系列加濕器利用Nafion管壁，在管束內部通干燥氣體，外部通燃料電池排出的水。這種方式可以實現自調節加濕，并且在回收廢水的同時也回收了余熱，起到熱交換器的作用。

3.2 熱管理技術? 燃料電池的水管理和熱管理是密不可分的，水平衡影響著膜的傳質能力，進而影響著反應熱的生成;而熱量管理影響著水分子的傳輸速度以及相變過程，影響著水分的生成和運輸，因而高效的水熱管理是保持PEMFC輸出性能和壽命的重要手段。

豐田Mirai燃料電池的熱管理系統[15]屬于較為經典的熱管理系統。冷卻水泵推動冷卻液在管道中流動;中冷器利用冷卻液快速冷卻壓縮空氣;節溫器根據電池的散熱需求來調節冷卻液的循環回路;去離子器消除冷卻液中的帶電離子，避免高電壓情況下冷卻液導電對電池造成損失;散熱器將冷卻液的熱量快速釋放到環境中。

唐永華[16]借鑒不同的水熱管理方案設計一款包含加濕部分和冷卻水循環部分的燃料發動機水熱管理系統，該系統生成的水經三通管進入氫氣加濕器內，ECU檢測濕度和水流量的信號來調整加濕器和冷卻水泵的流量，以此保證電堆穩定運行。

王一[17]在陰極采用尾氣自加濕的方法，選用定壓閉式水循環的水路壓力控制方案，集成了一款水熱管理系統，當電堆溫度高于70°時，節溫器引導冷卻液流經散熱器快速換熱。（圖1）

吳魁等[18]研究高溫質子交換膜的作用機理，分析比較后認為有機/無機復合膜和非水質子溶劑膜，尤其是磷酸摻雜的PBI膜是高溫質子交換膜的發展方向。

4? 結論和展望

PEMFC的前景是非常可觀的，設計出合理的水熱管理系統是解決其壽命和運行成本這兩大難題的重要途徑。本文內容對燃料電池的水熱管理系統及方法分類做了初步的介紹，未來我們的研究方向可以是：①繼續改善質子交換膜的質量，減小膜的厚度，提高膜的耐高溫性能以及機械性能，是膜在高溫情況下依舊可以保持較高的電導率。②對雙極板的流場設計不斷進行試驗研究，使其朝著既可以提高進氣壓力又能保證及時排除廢水的方向不斷精進。③尋找更簡單高效的增濕和冷卻措施，降低系統的成本。

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