燃料電池水熱管理的技術(shù)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(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過程較為復(fù)雜，至今仍在不斷探究之中，本文對現(xiàn)有的水管理和熱管理的技術(shù)措施做了分類歸納和論述，為以后的研究提供導(dǎo)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(guān)鍵詞：PEMFC;水管理;熱管理;技術(shù)措施

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

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

1? 背景

在全球的能源結(jié)構(gòu)向清潔、低碳、環(huán)保轉(zhuǎn)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(xù)航的氫燃料電池車得到企業(yè)和國家的格外關(guān)注，甚至被認(rèn)為是新能源汽車的終極方案。2020年4月，財(cái)政部發(fā)表《開展燃料電池汽車示范推廣征求意見稿》，重點(diǎn)圍繞燃料電池汽車關(guān)鍵零部件的核心技術(shù)攻關(guān)，對其進(jìn)行鼓勵和支持[1]。但是，燃料電池的發(fā)展目前仍受制于性能、壽命和成本，成為推進(jìn)燃料電池商業(yè)化進(jìn)程的必須攻克的難關(guān)。

2? 水熱管理的必要性

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是以氫氣和氧氣在電池內(nèi)發(fā)生氧化還原反應(yīng)的方式，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能來為汽車提供動力。它避免了傳統(tǒng)燃油車在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化時(shí)損失較大熱機(jī)環(huán)節(jié)，因而能量轉(zhuǎn)化效率非常可觀，可達(dá)到60-80%。制約效率繼續(xù)增長的因素是電池內(nèi)的水平衡和熱平衡難以建立，質(zhì)子交換膜電導(dǎo)率與水含量密切相關(guān)，一般來說，只有與膜結(jié)合狀態(tài)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(zhì)阻力增大;過多則會導(dǎo)致“水淹”現(xiàn)象，堵塞反應(yīng)氣的擴(kuò)散孔道，嚴(yán)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(chǎn)生水淹現(xiàn)象，而陽極則十分缺水，造成了電池內(nèi)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(dǎo)率，也要及時(shí)排除過多的水，避免水淹，同時(shí)還要保證電池整個(gè)范圍內(nèi)水分布的平衡。熱管理在電池內(nèi)也是十分重要的，PEMFC工作過程中會產(chǎn)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(nèi)化學(xué)反應(yīng)速率，對冷啟動也有利，但是溫度升高會導(dǎo)致膜皺縮甚至破裂，嚴(yán)重會導(dǎo)致膜兩側(cè)氣體相互摻混，電池出現(xiàn)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(tǒng)來及時(shí)排除廢熱，實(shí)現(xiàn)熱量均勻分布。

3? 水熱管理技術(shù)措施

3.1 水管理技術(shù)? 徐家忠等[2]歸納了燃料電池的水管理一般從三個(gè)方面來進(jìn)行：燃料電池結(jié)構(gòu)內(nèi)部優(yōu)化、合理的電池排水和反應(yīng)氣加濕。

3.1.1 燃料電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化? 首先一種有效的保持PEMFC內(nèi)部水平衡的方式就是優(yōu)化雙極板的流道設(shè)計(jì)，但一般采用的平行流道氣體通過自由擴(kuò)散方式轉(zhuǎn)移的，不能有效的帶走多孔介質(zhì)中的液態(tài)水。蛇形流道和交指流道排水能力較為優(yōu)越，但因?yàn)槠溆鼗厍鄣牧鞯佬问胶洼^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(shù)值計(jì)算在流道中安裝傾斜擋板，研究擋板的傾斜角度及擋板數(shù)量對多孔電極間傳輸強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，傾斜角度為45°時(shí)電池的傳質(zhì)能力最好，還得出在通道中安裝六個(gè)擋板時(shí)，對電池的綜合影響達(dá)到最佳，電池凈功率最高。Chao Wang等[4]提出可以在下游區(qū)采用一種錐形流場來增加電極間氣體傳輸速度，進(jìn)而提高流道的排水能力。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)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(shí)加強(qiáng)相鄰?fù)ǖ览呦碌膶α鳎U(kuò)散層中的積水，余正琨[5]提出了一種新型的三維結(jié)構(gòu)的波浪形流場，與傳統(tǒng)的直流道對比結(jié)果顯示，在0.4V電壓的作用下，該結(jié)構(gòu)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(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)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(zhì)效率。

3.1.2 排水法? 排水法一般采用兩種形式，一種是氣態(tài)排水法，利用電池結(jié)構(gòu)在陰陽極之間形成氣態(tài)水的濃度差，使水分子在反擴(kuò)散作用向陽極運(yùn)動。另一種是液態(tài)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(tài)的形式直接排出。豐田PEMFC采用新型3D網(wǎng)格流道，將進(jìn)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(shí)排出，此外，為增強(qiáng)排水能力，豐田還提高了流體板兩側(cè)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(xiàn)水淹和氣堵現(xiàn)象。

3.1.3 反應(yīng)氣加濕法? 反應(yīng)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(yīng)氣在外增濕之后再送入電堆。內(nèi)部加濕法是利用滲水材料等實(shí)現(xiàn)增濕系統(tǒng)安裝在電堆內(nèi)部的手段，但加大了電堆組裝的復(fù)雜程度。自增濕法是指充分利用電化學(xué)反應(yīng)生成的水來對膜進(jìn)行加濕，可以進(jìn)行電池自增濕的流場設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)復(fù)合自增濕膜，或者改變MEA的結(jié)構(gòu)或制備過程等[8]。早期，注水法被認(rèn)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(shè)計(jì)出一款噴霧加濕器，將液態(tài)水加熱到預(yù)設(shè)的溫度后，均勻的噴灑到流經(jīng)加濕器的氣體中[9]。Hwang等人[10]進(jìn)一步的研究設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，來為電堆提供超精細(xì)的噴霧。2014年12月，豐田[11]通過一種創(chuàng)新的細(xì)胞流場結(jié)構(gòu)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(gè)整體的細(xì)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(shí)現(xiàn)內(nèi)加濕每個(gè)單元的水平衡，降低布置空間的同時(shí)增強(qiáng)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(nèi)部通干燥氣體，外部通燃料電池排出的水。這種方式可以實(shí)現(xiàn)自調(diào)節(jié)加濕，并且在回收廢水的同時(shí)也回收了余熱，起到熱交換器的作用。

3.2 熱管理技術(shù)? 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(zhì)能力，進(jìn)而影響著反應(yīng)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(yùn)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(tǒng)[15]屬于較為經(jīng)典的熱管理系統(tǒng)。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(jié)溫器根據(jù)電池的散熱需求來調(diào)節(jié)冷卻液的循環(huán)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(dǎo)電對電池造成損失;散熱器將冷卻液的熱量快速釋放到環(huán)境中。

唐永華[16]借鑒不同的水熱管理方案設(shè)計(jì)一款包含加濕部分和冷卻水循環(huán)部分的燃料發(fā)動機(jī)水熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)生成的水經(jīng)三通管進(jìn)入氫氣加濕器內(nèi)，ECU檢測濕度和水流量的信號來調(diào)整加濕器和冷卻水泵的流量，以此保證電堆穩(wěn)定運(yùn)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(huán)的水路壓力控制方案，集成了一款水熱管理系統(tǒng)，當(dāng)電堆溫度高于70°時(shí)，節(jié)溫器引導(dǎo)冷卻液流經(jīng)散熱器快速換熱。（圖1）

吳魁等[18]研究高溫質(zhì)子交換膜的作用機(jī)理，分析比較后認(rèn)為有機(jī)/無機(jī)復(fù)合膜和非水質(zhì)子溶劑膜，尤其是磷酸摻雜的PBI膜是高溫質(zhì)子交換膜的發(fā)展方向。

4? 結(jié)論和展望

PEMFC的前景是非?？捎^的，設(shè)計(jì)出合理的水熱管理系統(tǒng)是解決其壽命和運(yùn)行成本這兩大難題的重要途徑。本文內(nèi)容對燃料電池的水熱管理系統(tǒng)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(xù)改善質(zhì)子交換膜的質(zhì)量，減小膜的厚度，提高膜的耐高溫性能以及機(jī)械性能，是膜在高溫情況下依舊可以保持較高的電導(dǎo)率。②對雙極板的流場設(shè)計(jì)不斷進(jìn)行試驗(yàn)研究，使其朝著既可以提高進(jìn)氣壓力又能保證及時(shí)排除廢水的方向不斷精進(jìn)。③尋找更簡單高效的增濕和冷卻措施，降低系統(tǒng)的成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]賽迪智庫工業(yè)經(jīng)濟(jì)研究所.汽車“新三化”趨勢技術(shù)追蹤及展望[N].中國計(jì)算機(jī)報(bào)，2019-08-26（008）.

[2]徐加忠，馬天才，左琳琳.質(zhì)子交換膜燃料電池水管理研究現(xiàn)狀[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，37（05）：845-848.

[3]Yan Yin， Xuefeng Wang， Junfeng Zhang， Xiang Shangguan， Yanzhou Qin. Influence of sloping baffle plates on the mass transport and performance of PEMFC[J]. International Journal of Energy Research， 2019， 43（7）.

[4]Chao Wang， Qinglei Zhang， Jiabin Lu， Shuiyun Shen，Xiaohui Yan， Fengjuan Zhu， Xiaojing Cheng， Junliang Zhang. Effect of height/width-tapered flow fields on the cell performance of polymer electrolyte membrane fuel cells[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2017， 42（36）.

[5]余正錕.質(zhì)子交換膜燃料電池波浪形流場設(shè)計(jì)及優(yōu)化[D].湖南理工學(xué)院，2020.

[6]朱萬超，鄭明剛.質(zhì)子交換膜燃料電池漸變蛇形流場的性能研究[J].電源技術(shù)，2020，44（08）：1123-1125，1198.

[7]張欽國，郗富強(qiáng)，王曉陽，張學(xué)偉，歐陽明高.質(zhì)子交換膜燃料電池水管理研究進(jìn)展[J].電源學(xué)報(bào)，2019，17（02）：26-31，91.

[8]Yafei Chang， Yanzhou Qin， Yan Yin， Junfeng Zhang， Xianguo Li. Humidification strategy for polymer electrolyte membrane fuel cells – A review[J]. Applied Energy，2018，230.

[9]S.H. Jung， S.L. Kim， M.S. Kim， Y. Park， T.W. Lim. Experimental study of gas humidification with injectors for automotive PEM fuel cell systems [J]. Power Sources， 170 （2007）， pp. 324-333.

[10]S.H. Hwang， M.S. Kim. An experimental study on the cathode humidification and evaporative cooling of polymer electrolyte membrane fuel cells using direct water injection method at high current densities. Appl Therm Eng， 99 （2016）， pp. 635-644.

[11]Hiroyuki Y，? Mikio K，? Hisao A . Toyota Fuel Cell System （TFCS）[J]. World Electric Vehicle Journal， 2015， 7（1）： 85-92.

[12]Konno Norishige et al. Development of Compact and High-Performance Fuel Cell Stack[J]. SAE International Journal of Alternative Powertrains， 2015， 4（1）： 123-129.

[13]Perma Pure launches high-pressure fuel cell humidifiers[J]. Fuel Cells Bulletin， 2006， 2006（2）.

[14]劉巖.燃料電池系統(tǒng)電效率影響因素分析及其水熱管理[D].吉林大學(xué)，2020.

[15]王遠(yuǎn)，牟連嵩，劉雙喜.國外典型燃料電池汽車水、熱管理系統(tǒng)解析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（24）：198-200.

[16]唐永華，顏伏伍，侯獻(xiàn)軍，李小毅.燃料電池發(fā)動機(jī)水熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].華東電力，2005（04）：25-28.

[17]王一.燃料電池動力裝置水熱管理系統(tǒng)研究及儲能方案論證[D].哈爾濱工程大學(xué)，2015.

[18]吳魁，解東來.高溫質(zhì)子交換膜研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2012，31（10）：2202-2206，2220.