车用PEMFC发动机水热管理与低温起动研究现状

展茂胜，韩吉田，于泽庭，王桂华，李国祥

(山东大学 能源与动力工程学院，山东 济南 250061)

燃料电池汽车动力系统由质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)电堆及其辅助系统组成，PEMFC发动机系统具有功率密度高、起动迅速、环境友好等优点，其实际效率最高可达传统汽车内燃机系统的2倍左右。PEMFC发动机优良的特性使得很多国家不惜投入大量人力物力进行研究，我国“863”计划中，也将之作为我国电动汽车发展的首位[1]，对PEMFC发动机的研究虽然取得了一系列成果，但是其中一些关键问题仍有待研究探讨。

PEMFC工作温度一般在80 ℃左右，与外界环境较小的温差使得排热困难，如果散热系统设计不合理，会造成电池温度波动过大，进而影响膜电极中的含水量，而电池膜电极的含水量以及反应气体的加湿程度，反过来又对电池的温度产生影响，所以PEMFC的水和热相互耦合，共同影响PEMFC发动机系统的性能[2]。由此来看，解决水热管理问题是实现PEMFC发动机高效运行的前提。

燃料电池汽车在冬季时往往要面临着在零下温度环境工作的问题，而PEMFC发动机起动过程中，氢气和氧气反应在阴极催化剂层生成水，当生成的液态水达到饱和后，多余的水会形成冰，此时如果不采取一些有效措施，形成的冰会将PEMFC的阴极催化剂层完全覆盖，造成PEMFC发动机起动失败，同时形成的冰也会对膜电极造成一定的损害，降低了PEMFC的使用寿命，因此，PEMFC在低温下的冷起动问题也值得进行深入的研究探讨。

1 PEMFC发动机系统的研究现状

燃料电池发动机系统由反应气体供应(包括空气供应和氢气供应)系统、散热系统等辅助系统以及燃料电池电堆这一核心部件构成。其工作流程如图1所示，在冷却泵的作用下，循环水将PEMFC产生的热从内部导出，并通过散热器将多余的热量散掉，同时利用冷却水对氢气进行增温加湿；另外，电池内部反应在阴极侧生成水，空气流出阴极时夹带有大量水汽，通过这部分空气将流入阴极的空气增温加湿。

图1 PEMFC发动机系统图

1.1 PEMFC电堆的研究现状

PEMFC电堆相当于PEMFC发动机系统的心脏，其工作性能的好坏直接影响PEMFC发动机系统的整体性能。PEMFC电堆一般由数十个PEMFC以串联方式层叠组合而成，每个PEMFC主要由阴阳极板、阴阳极扩散层、阴阳极催化剂层、质子交换膜构成，影响PEMFC性能的因素众多，国内外学者对此进行了大量研究。

Luo等[3]改进了一个耦合气体流道和气体扩散层的两相、三维和多组分质子交换膜燃料电池模型，运用COMSOL Multiphysics软件对4种流场板进行模拟研究，研究分析了4种流场板模拟所得的阳极氢气浓度、阴极氧气浓度、阴极水浓度以及电流密度，发现单边交指单蛇形流道中的阴极氧气浓度分布最均匀，排水性能最好；并且，阳极流场的形状对质子交换膜燃料电池的性能影响不大，起决定性作用的是阴极流场的形状。

1.2 整体系统的研究现状

仅仅对PEMFC电堆进行研究是不够的，PEMFC发动机是一个复杂的动力系统，其高效的总体性能靠电池电堆和辅助系统的协调配合来保证，电堆性能处于最优时并不一定使得系统性能最优，因此，我们还需要对整体系统进行研究。

Gao等[4]对45 kW级质子交换膜燃料电池发动机的电堆、反应气体供应以及水热管理3个主要模块建立了数学模型，在建立电堆电压模型时，引入了误差补偿项，提高了电压计算精度，并通过试验数据得以验证，研究了冷却液入堆温度、空气过量系数和阴极入口空气压力对系统性能的影响。结果表明：为了获得较好的系统输出性能，应适当降低冷却液入堆温度，提高阴极入口空气压力。

Wang等[5]针对100 kW燃料电池发电系统进行了研究，建立了燃料电池系统的稳态模型，研究了电堆进气相对湿度、操作温度、操作压力、冷却温度对系统水热平衡的影响。研究结果表明：随着电堆运行压力的升高，阳极尾气的液态水含量略微升高，阴极尾气的液态水含量几乎无变化；随着冷却温度的升高，电堆阳极尾气中液态水含量略有降低，气态水含量大幅升高，但对冷却水量的影响不明显；为保证系统的水热平衡，应优先满足空气介质的加湿需求。

2 PEMFC发动机水热管理的研究现状

2.1 水管理

PEMFC发动机的水管理主要是保证PEMFC中的水平衡，而PEMFC的核心部件膜电极(MEA)对PEMFC的水平衡起着重要的影响，膜电极应有一定的含水量，以保证膜良好的质子传导性, 否则膜易脱水、皱缩甚至破裂, 严重阻碍质子传导；同时水又不能太多, 膜中含水量过多,会造成阴极淹没。膜中水含量对PEMFC的具体影响主要有以下方面[6]。

1)液态水的凝聚会导致阴极氧化剂气体的扩散速度降低，传质过程受阻，而水过多还会淹没催化剂的活性点。

2)液态水的存在导致气体在电极内和各单元之间分布不均匀，电池性能下降，并造成系统内各个单元电池的电压不同。

3)反应气体被水蒸气稀释，从而造成反应界面上反应气体的不足。

4)如果质子交换膜失水过多，其电导率将会下降，导致电池的欧姆电压损失增大。

5)质子交换膜中的含水量对电催化活性也有影响，膜失水后催化层界面的活性也会下降。

水分子在膜中迁移受4个驱动力的作用[7]: 1)电渗力的拖动作用，指的是质子从阳极迁移到阴极时，会携带一部分水分子； 2)阴极向阳极的反扩散作用，由于水在膜两侧的浓度差，水将穿过膜从阴极向阳极反扩散； 3)燃料气体或氧化剂气体中的水分子向膜中的扩散； 4)阴阳两极间的压力梯度造成的水渗透。

反应气的湿化程度、电池工作温度、反应气温度以及流量等因素都与膜中水含量有着密切的关系。在实际工作状态下，因为以上各种因素的影响，很难保持膜中的水平衡，必须进行有效的水管理，否则将会严重影响PEMFC的工作效率和使用寿命。

胡蕴宇等[8]就车用质子交换膜燃料电池的水管理和热管理方法进行了介绍，其中主要介绍了水管理的3种主要方式：反应气加湿、质子交换膜内水传递的控制和电池排水。文中指出：反应气加湿可通过外部加湿法、内部加湿法、自加湿法实现；质子交换膜内水传递的控制主要通过对反应气的流量与压力施加影响实现；电池排水可通过气态排水和液体排水2种方式实现。

律翠萍等[9]对膜中水的迁移机理及影响水平衡的主要因素进行了分析，介绍了目前较为有效的水管理方法，包括调节反应气的湿度、改进电池构造、改进MEA 结构、优化电池内部传质过程、改进流场分布强化传质等方法。

2.2 热管理

PEMFC发动机的热管理主要是保证PEMFC中的热平衡，使PEMFC的工作温度维持在最佳工作范围。工作温度低时，电池内各种极化增强，欧姆阻抗也较大，电池性能较差；温度升高时，会降低各种极化和欧姆阻抗，电池性能提高，但温度过高会导致膜脱水，使电导率下降，电池性能降低。工作温度对PEMFC的具体影响主要有以下方面[10]。

1)温度升高，使H2、O2的扩散系数加大，改善了电极内气体传质。

2)温度升高，使催化剂Pt的活性提高，反应速率加快。

3)温度升高，使电化学反应的速度加快，电子在MEA电极内运动加快，使质子H+传递速度加快，从而减小电化学极化现象，可获得较大电流。

4)温度升高，使质子交换膜内水扩散系数增加，因此，阴极电化学反应生成的水向阳极扩散的速度加快，从而使质子交换膜内水分布均匀。

5)温度过高，使质子交换膜脱水、收缩甚至破裂，不仅使电池电导率下降，还会降低电池的使用寿命。

燃料电池中热量来自4个方面[11]： 1)电池的不可逆性而产生的化学反应热； 2)欧姆极化而产生的焦耳热； 3)加湿气体带入的热量； 4)吸收环境辐射热量。为了使燃料电池内部达到热平衡，需要将产生的热量及时排出。通常，燃料电池的尾气会带走一部分热量，电池外表面的自然对流会带走一部分热量，但这2种方式所带走的热量极少，达不到除热的需求，还需要采用更有效的排热方法。

目前主要有冷却液循环排热、空气冷却和液体蒸发冷却3种排热方式，其中冷却液循环排热方式被普遍采用。虽然在排热方式的选择上都大同小异，但是大量专家学者对加强散热量及散热器布置方面进行了大量研究。

常国峰等[12]基于燃料电池乘用车的热管理系统模型，研究了该乘用车在匀速、加速、爬坡和不同环境温度下的整车热管理系统的工作特性，研究发现：当燃料电池工作温度低、热负荷大时，热管理系统无法在全工况满足燃料电池系统散热的需求，需通过提高燃料电池的工作温度、增加迎风空气流量等方法来增加整车热管理系统的散热量。

李正秋等[13]对燃料电池汽车几种不同的整车热管理系统布置方案进行了研究，通过计算出不同设计方案下发动机散热器、PCU散热器和空调冷凝器的散热量，分析研究了不同的发动机散热器、PCU散热器和空调冷凝器布置方式对整体散热性能的影响，得到了较优的热管理系统散热方案。

3 PEMFC发动机冷起动的研究现状

3.1 冷起动中的水热分布

PEMFC发动机在零下起动过程中，阴极氧气发生还原反应生成水，生成的液态水会在阴极催化剂层内部结冰，因而阻碍氧气传输，并覆盖催化剂层反应活性位点，降低电化学活性面积，影响燃料电池发电性能。如果电池温度在阴极催化剂层完全被冰覆盖之前达到零度，则电池零下起动成功；反之，则会导致电池零下起动失败。此外，结冰还会破坏膜电极结构，影响燃料电池寿命[14]。为了提高PEMFC冷起动的成功率，降低或者避免冷起动过程中膜电极的损坏，许多专家学者对PEMFC发动机零下起动过程中的水热分布进行了研究。

Weng等[15]介绍了PEMFC冷起动时水热传输机理，简述了质子交换膜燃料电池冷起动时水热分布特性、影响水热分布的主要因素和有效的水热管理方法。结果表明：水热分布是相互关联的，影响水热分布的因素即有外部因素也有内部因素，需结合这两个方面来改善燃料电池冷起动性能及水热分布。

Yue等[16]对PEMFC低温起动的冰冻机理，包括冰的形成位置、冰形成的影响因素、结冰对PEMFC的影响等方面进行了简述；对冷起动中水热传输特性，包括水传输的影响因素、水分布的可视化研究方法、温度分布与热量传输等方面进行了介绍分析。分析表明：电池的具体结冰位置还没有统一的定论；冷起动过程中冰的形成确实破坏了膜电极组件，缩短了电池寿命；基于电极材料和电池结构的水热管理或许是未来的研究热点。

3.2 冷起动过程的仿真研究

PEMFC零下起动模型的研究从2000年开始兴起，期间主要提出了燃料电池零下起动的一维模型，但是零下起动一维模型没有考虑里面的热传递以及物质扩散过程，存在一定程度的局限性。随着技术发展，多维度燃料电池零下起动模型逐渐被提出[17]。目前，对PEMFC发动机系统冷起动过程进行建模仿真已成为研究的热点。

李义等[18]使用AMESim软件建立了一个燃料电池系统模型，针对起动电压、电堆初始温度、进气温度等影响燃料电池系统低温起动性能的因素进行了研究，仿真结果显示：较低的起动电压有利于低温起动过程，温度越低低温起动越困难，反应气体的温度对低温起动过程影响不大。

李友才等[19]在Matlab/ Simulink软件平台上搭建了由20片电池及端板组成的瞬态分层集总参数电堆水热管理模型，分别对不同双极板材料、不同端板材料、电堆内有或无残存冷却液和加载1.0 A/cm2的电流密度的情况进行了仿真研究，研究发现：双极板材料的比热小、电堆内无残存冷却液时，电堆达到0 ℃的时间较短；对电堆加载1.0 A/cm2的电流，经过47.6 s使电堆最冷电池阴极催化层的温度达到触发温度0 ℃，可以满足电堆低温起动的条件。

3.3 冷起动过程的试验研究

目前，众多专家学者除了对PEMFC发动机系统冷起动过程进行建模仿真外，还进行了大量试验研究，通过试验可以更准确的研究各影响因素对冷起动过程的影响，以便得出更有效的冷起动和停机保温方法。

Li等[20]为评价不同参数对PEMFC电堆低温起动性能的影响，搭建了燃料电池电堆低温起动试验平台，试验研究了5 kW燃料电池电堆在-5、-10和-15 ℃下的低温起动性能，研究结果表明：在低温下恒电压模式比恒电流模式更有利于电堆升温；电堆起动电压为30 V时升温速度快于40和20 V时；初始温度越低时电堆升温速率越慢。

Li等[21]根据PEMFC电堆起动和停机的控制策略，建造了PEMFC电堆低温起动平台。用20 mm厚的软橡塑泡沫、聚苯乙烯和真空绝缘板将电堆密封，在-10 ℃环境舱内进行了保温试验研究。研究发现：电堆从80 ℃降到了0 ℃所需要的时间分别为23.4、33和45 h。在相同的条件下，用真空绝缘板密封电堆可使电堆的保温时间最长、保温效果最好。

4 结论

PEMFC发动机具有工作温度低、结构紧凑、起动迅速、对负荷变化快速响应等优点，被认为是未来电动汽车动力系统的最佳选择之一。本文中根据众多学者的研究成果对PEMFC发动机系统及电池电堆这一核心部件的研究现状进行了总结，简述了PEMFC发动机系统水热管理的重要性和低温冷起动的机理，总结综述了水热管理和低温起动问题的相关研究，认为进一步推广PEMFC发动机系统需要克服水热管理和低温起动两大关键问题。