質(zhì)子交換膜燃料電池性能熱管理研究概述

中汽研汽車檢驗(yàn)中心（武漢）有限公司 王旭 張睿 王旭敏

質(zhì)子交換膜燃料電池的性能對(duì)溫度非常敏感，溫度能夠直接影響燃料電池內(nèi)部水成分的運(yùn)輸，同時(shí)也會(huì)影響質(zhì)子交換膜氣體的滲透性；另外溫度還將對(duì)催化劑的活性、燃料氣體的擴(kuò)散及“水淹”現(xiàn)象產(chǎn)生顯著影響，對(duì)燃料電池溫度管理的研究能夠有益于提升質(zhì)子交換膜燃料電池性能的提升。

質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：PEMFC反應(yīng)堆、氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。熱管理系統(tǒng)作為決定電池性能好壞和效率高低的關(guān)鍵之一，主要作用是將電池內(nèi)多余的熱量散出，讓整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，從而使電池處于最佳的運(yùn)行工況[1]。

目前對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)峁芾淼难芯坑泻芏?，主要包括溫度?duì)燃料電池運(yùn)行特性的影響、電池內(nèi)部熱量來(lái)源的分析、電池內(nèi)部溫度的分布規(guī)律、對(duì)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(tǒng)的試驗(yàn)方法，還有借助于數(shù)理工具對(duì)燃料電池進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)建模，研究燃料電池內(nèi)與溫度相關(guān)的問(wèn)題，最終達(dá)到優(yōu)化參數(shù)控制的目的等。總之，研究范圍相對(duì)廣泛。

試驗(yàn)研究

在文獻(xiàn)中，與溫度相關(guān)的報(bào)道屢見(jiàn)不鮮。王文東[2]以 Nafion?112質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)為對(duì)象，通過(guò)測(cè)量電池工作的“電流－電壓”、“電流－功率”和“電壓－時(shí)間”曲線，研究溫度等條件對(duì)電池性能的影響，以電池的能量轉(zhuǎn)換效率及短期運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)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(guò)實(shí)驗(yàn)的手段，在分析溫度、濕度參數(shù)對(duì)電池影響的基礎(chǔ)上，還進(jìn)一步探討了控制PEMFC溫度、濕度參數(shù)的方法；Faysal Tiss[4]等則提出結(jié)合相應(yīng)的動(dòng)態(tài)方程去研究一些運(yùn)行參數(shù)（如負(fù)載、氣體壓力、輸入氣體的溫度）的瞬時(shí)改變對(duì)燃料電池的影響，得出影響電池運(yùn)行的主要因素是負(fù)載以及工作溫度；Mozhdeh Noorkami[5]也直接指出溫度是電池運(yùn)行時(shí)的一個(gè)重要影響因素，水的運(yùn)輸直接受到溫度的影響，溫度能影響電解質(zhì)中質(zhì)子的流動(dòng)、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(jié)論，溫度梯度與觀察到的性能的燃料電池相關(guān)。通過(guò)文獻(xiàn)查閱發(fā)現(xiàn)，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(nèi)，當(dāng)電池溫度升高時(shí)，電池的性能將得到提高。此外，溫度還對(duì)催化劑的活性（活性提高，反應(yīng)速率加快）、燃料氣體的擴(kuò)散（改善氣體傳質(zhì)）、質(zhì)子交換膜內(nèi)水分的擴(kuò)散(膜電阻將減小、電導(dǎo)率增大)均有一定的影響；并且適當(dāng)提高溫度還有利于陰極反應(yīng)生成水的排出，從而改善電池的水淹現(xiàn)象。

也有文獻(xiàn)報(bào)道，氣體增濕溫度對(duì)燃料電池的性能有著影響，主要體現(xiàn)在對(duì)PEMFC陰極流道內(nèi)液態(tài)水分布及排水的問(wèn)題上，這一點(diǎn)馬海鵬[7]指出，隨著增濕溫度的升高，存水區(qū)域是由流道下部向進(jìn)口擴(kuò)展的。

此外，溫度也能影響質(zhì)子交換膜氣體的滲透性。葉東浩[8]在一定實(shí)驗(yàn)條件下，利用質(zhì)量流量計(jì)測(cè)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(duì)濕度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)提高溫度和陰陽(yáng)極兩側(cè)氣體的壓力之差均能導(dǎo)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(shù)增加。由上可見(jiàn)，溫度對(duì)燃料電池性能的影響是巨大的。為提高燃料電池的運(yùn)行性能，就必須對(duì)溫度這一因素做出細(xì)致的研究。我們知道，溫度是熱量的物理表現(xiàn)形式，電池內(nèi)部的熱源主要來(lái)源于兩個(gè)部分：第一個(gè)是由電化學(xué)反應(yīng)直接或者間接產(chǎn)生的熱量，這部分熱量主要包含電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量、活化極化產(chǎn)生的熱量、歐姆極化熱和濃差極化熱等。

另一部分是電池運(yùn)行過(guò)程中，一些必不可少的舉措所帶來(lái)的熱量變化，比如反應(yīng)氣體加濕所帶入的熱量、冷卻過(guò)程中冷卻介質(zhì)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(huán)境所發(fā)生的熱輻射和熱交換等[9]。

這些熱量的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化伴隨著整個(gè)電池的反應(yīng)過(guò)程，共同決定著電池的運(yùn)行特性，同時(shí)也在電池的熱管理系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)著重要的角色，并為電池創(chuàng)造了一個(gè)最佳的工作溫度范圍，電池只有處于此溫度范圍內(nèi)時(shí)，才能行使最佳的運(yùn)行工況，如果電池溫度過(guò)低，將導(dǎo)致電極內(nèi)的極化現(xiàn)象加劇，輸出電壓降低，從而使電池性能惡化；如果溫度過(guò)高，將導(dǎo)致電池膜脫水、收縮甚至破裂，強(qiáng)度會(huì)有一定的降低，而且燃料氣體中的水蒸氣分壓會(huì)升高，造成稀釋反應(yīng)氣體的濃度，最嚴(yán)重時(shí)，會(huì)造成質(zhì)子交換膜的失水的問(wèn)題。因此，維持良好的運(yùn)行溫度是維持電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)能夠正常運(yùn)行和質(zhì)子交換膜能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的重要條件之一。不過(guò)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制，除了了解前文提到的熱量來(lái)源外，還必須對(duì)溫度的分布規(guī)律、對(duì)溫度的影響和對(duì)溫度的處理控制等方面有著充分的認(rèn)識(shí)。

關(guān)于溫度分布方面，通過(guò)文獻(xiàn)查閱，裴后昌[10]以 氫 氧燃料電池為例，通過(guò)將微型熱電偶置于陰極流場(chǎng)進(jìn)行溫度檢測(cè)的手段，得出電池堆內(nèi)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(shí)，電池堆中各單電池間溫差也越來(lái)越大。簡(jiǎn)棄非[11]對(duì)交指 型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜燃料電池的溫度分布進(jìn)行了研究， 對(duì)交指型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜燃料電池在電池橫貫方向、陽(yáng)極催化層、膜中心和陰極催化層進(jìn)行了計(jì)算分析，得出了溫度分布規(guī)律。馬富存[12]側(cè)重于研究溫度沿膜厚方向的分布情況，經(jīng)過(guò)對(duì)PEMFC一維溫度物理場(chǎng)的計(jì)算，得出PEMFC內(nèi)部沿膜厚方向的溫度分布接近于線性分布。此外，一些國(guó)外的學(xué)者也對(duì)燃料電池內(nèi)的溫度分布做了很多的研究，如Alex[13,14]對(duì)單 電池的可視化進(jìn)行研究，指出了水淹區(qū)域溫度和未水淹區(qū)域溫度高低情況；O.E.Herrera[15]等人在研究中指出，當(dāng)電池處于干燥條件下時(shí)，由于不均勻的反應(yīng)速率以及水相的變化，不同的電流密度通過(guò)活性區(qū)域時(shí)，將導(dǎo)致一維平面上出現(xiàn)一定的溫度梯度，而這種不均勻溫度分布會(huì)導(dǎo)致質(zhì)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(guò)將微型熱電偶置于氣體擴(kuò)散層和膜電極組件之間測(cè)得質(zhì)子交換膜燃料電池的溫度分布，指出在穩(wěn)態(tài)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(guò)電位作為主要的熱源，而當(dāng)負(fù)載電流被中斷時(shí)，陰極催化層的溫度又變?yōu)樽畹?，這是由于水分的蒸發(fā)所致。Chin-Hsiang Cheng[17]等提出一種無(wú)損可逆的測(cè)試方法用來(lái)預(yù)測(cè)質(zhì)子交換膜中碳紙與膜電極之間的界面的溫度分布。

關(guān)于對(duì)溫度影響這一方面，通過(guò)文獻(xiàn)查閱，周怡博[18]指出氣體擴(kuò)散層（ GDL）導(dǎo)熱系數(shù)的各向異性可以使電池內(nèi)部的溫度分布更加均勻。馬利忠[19]利用數(shù)學(xué)建模的方法，探究了操作參數(shù)對(duì)溫度分布的影響，指出電池內(nèi)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(shí)質(zhì)子交換膜的厚度也是對(duì)電池內(nèi)部的溫度有著重要影響。朱蓉文[9]則通過(guò)分析一個(gè)包含10個(gè)直流道的單電池，從氣體加濕程度入手，研究其對(duì)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(shí)最高溫度靠近進(jìn)口，加濕程度低時(shí)靠近出口。涂正凱[20]在研究氫空電堆的溫度分布特性時(shí)，也探究了不同因素（電流密度、空氣流量、冷卻水流量）對(duì)溫度分布的影響規(guī)律，并得出了相應(yīng)結(jié)論：在電流密度方面指出，電堆運(yùn)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(fā)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(jìn)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(nèi)最高溫度、最低溫度及電堆內(nèi)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(xiàn)在對(duì)電池的冷卻上，傳統(tǒng)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(yōu)缺點(diǎn)不一。若采用風(fēng)冷，操作方便，成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制起來(lái)也相對(duì)容易，有時(shí)候在電池外甚至直接接入一個(gè)電扇即可；而采用水冷，電池的運(yùn)用起來(lái)較為麻煩，還需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的冷卻水流道，研究表明，不同的流道形式對(duì)電池溫度的影響不盡相同，另外電池在進(jìn)行水冷時(shí)，還要對(duì)冷卻水的流量進(jìn)行相應(yīng)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(huì)加大燃料電池堆的體積，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并加大相應(yīng)的制作成本。

仿真研究

現(xiàn)在，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，學(xué)科之間的交叉關(guān)系也越來(lái)越密切，自動(dòng)控制技術(shù)的逐漸成熟，計(jì)算機(jī)功能的更加強(qiáng)大，材料性能的分析愈發(fā)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(diǎn)，通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)查閱，李潔[21]設(shè)計(jì)出一種基于PLC的雙循環(huán)回路燃料電池溫度控制系統(tǒng)，分析了內(nèi)循環(huán)回路和外循環(huán)回路調(diào)節(jié)燃料電池溫度的工作機(jī)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(duì)自增濕陰極開(kāi)放式質(zhì)子交換膜燃料電池時(shí)，提出采用半導(dǎo)體制冷片作為溫度控制裝置的方案。許志梅[23]在溫度的機(jī)理模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制算法的PEMFC控制系統(tǒng)，使質(zhì)子交換膜燃料電池能夠始終在最佳溫度點(diǎn)進(jìn)行工作，并獲得較好的電堆輸出性能。馬天才[24]則從實(shí)用的角度，結(jié)合燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)工作，提出了一套不需要精確的系統(tǒng)內(nèi)部特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)的燃料電池溫度控制仿真模型建模方法。[25]設(shè)計(jì)了王寒電堆溫度的模糊自適應(yīng)控制器，首次考慮到了單電池內(nèi)部水的傳輸與熱傳輸?shù)鸟詈蠁?wèn)題。

此外，在對(duì)燃料電池?zé)峁芾淼难芯恐?，?shù)學(xué)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(nèi)各傳遞反應(yīng)的總體過(guò)程，從而更加靈活地調(diào)整設(shè)計(jì)的方案，優(yōu)化相應(yīng)的參數(shù)，還可以預(yù)測(cè)到各種工況條件下電池的工作性能，另外，數(shù)學(xué)建模還能為電池的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提高做相應(yīng)的理論指導(dǎo)。但值得注意到是，由于PEMFC系統(tǒng)是一個(gè)多相變、多維流動(dòng)的傳質(zhì)和傳熱的過(guò)程，因此在對(duì)不同的電池特性描述時(shí)，所采用的數(shù)學(xué)模型不盡相同。有忽略電池內(nèi)部的復(fù)雜過(guò)程，直接以整體為基礎(chǔ)，用時(shí)間函數(shù)來(lái)描述的辨別模型；也有利用基本的電化學(xué)反應(yīng)方程和能量傳遞規(guī)律來(lái)描述電池內(nèi)部各個(gè)特征的機(jī)理模型，這兩種模型優(yōu)缺點(diǎn)各異，但相對(duì)前者，后者還需要建立在一個(gè)比較合理的假設(shè)基礎(chǔ)上，而且需要方程的聯(lián)立求解，并且復(fù)雜程度隨參數(shù)增加而增加。

在模擬方面，各種研究?jī)?nèi)容也是推陳出新、層出不窮，通過(guò)文獻(xiàn)查閱，薛坤[26]等運(yùn)用Fluent的PEM模塊研究了不同的氣體加濕程度分別對(duì)燃料電池溫度分布和性能的影響。孫福龍[27]建立了質(zhì)子交換膜燃料電池的電化學(xué)模型，運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行求解和仿真，證實(shí)了在一定范圍內(nèi)，提高溫度將有利于電池對(duì)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(tǒng)，并提出一種改進(jìn)的廣義預(yù)測(cè)控制算法，減少了計(jì)算量和控制過(guò)程中的超調(diào)。李曦[29]建立了PEMFC電堆 的工作溫度與運(yùn)行參量之間的定量關(guān)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(jié)語(yǔ)

綜上所述，熱管理是影響質(zhì)子交換膜燃料電池運(yùn)行性能的關(guān)鍵因素，除此之外，它還與操作條件（如：濕度、壓力）；燃料電池結(jié)構(gòu)（如：冷卻流道設(shè)計(jì)）；參數(shù)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(duì)燃料電池運(yùn)行性能的研究，無(wú)論是從影響因素，到影響機(jī)理；還是從理論探究，到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，再到建模分析，都已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外掀起了一陣陣的科學(xué)熱潮，有非常多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)的研究工作，并獲得了一定的研究成果。