車用PEMFC發(fā)動機水熱管理與低溫起動研究現(xiàn)狀

展茂勝，韓吉田，于澤庭，王桂華，李國祥

(山東大學 能源與動力工程學院，山東 濟南 250061)

燃料電池汽車動力系統(tǒng)由質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)電堆及其輔助系統(tǒng)組成，PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)具有功率密度高、起動迅速、環(huán)境友好等優(yōu)點，其實際效率最高可達傳統(tǒng)汽車內(nèi)燃機系統(tǒng)的2倍左右。PEMFC發(fā)動機優(yōu)良的特性使得很多國家不惜投入大量人力物力進行研究，我國“863”計劃中，也將之作為我國電動汽車發(fā)展的首位[1]，對PEMFC發(fā)動機的研究雖然取得了一系列成果，但是其中一些關鍵問題仍有待研究探討。

PEMFC工作溫度一般在80 ℃左右，與外界環(huán)境較小的溫差使得排熱困難，如果散熱系統(tǒng)設計不合理，會造成電池溫度波動過大，進而影響膜電極中的含水量，而電池膜電極的含水量以及反應氣體的加濕程度，反過來又對電池的溫度產(chǎn)生影響，所以PEMFC的水和熱相互耦合，共同影響PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)的性能[2]。由此來看，解決水熱管理問題是實現(xiàn)PEMFC發(fā)動機高效運行的前提。

燃料電池汽車在冬季時往往要面臨著在零下溫度環(huán)境工作的問題，而PEMFC發(fā)動機起動過程中，氫氣和氧氣反應在陰極催化劑層生成水，當生成的液態(tài)水達到飽和后，多余的水會形成冰，此時如果不采取一些有效措施，形成的冰會將PEMFC的陰極催化劑層完全覆蓋，造成PEMFC發(fā)動機起動失敗，同時形成的冰也會對膜電極造成一定的損害，降低了PEMFC的使用壽命，因此，PEMFC在低溫下的冷起動問題也值得進行深入的研究探討。

1 PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)由反應氣體供應(包括空氣供應和氫氣供應)系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)以及燃料電池電堆這一核心部件構成。其工作流程如圖1所示，在冷卻泵的作用下，循環(huán)水將PEMFC產(chǎn)生的熱從內(nèi)部導出，并通過散熱器將多余的熱量散掉，同時利用冷卻水對氫氣進行增溫加濕；另外，電池內(nèi)部反應在陰極側生成水，空氣流出陰極時夾帶有大量水汽，通過這部分空氣將流入陰極的空氣增溫加濕。

圖1 PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)圖

1.1 PEMFC電堆的研究現(xiàn)狀

PEMFC電堆相當于PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)的心臟，其工作性能的好壞直接影響PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)的整體性能。PEMFC電堆一般由數(shù)十個PEMFC以串聯(lián)方式層疊組合而成，每個PEMFC主要由陰陽極板、陰陽極擴散層、陰陽極催化劑層、質(zhì)子交換膜構成，影響PEMFC性能的因素眾多，國內(nèi)外學者對此進行了大量研究。

Luo等[3]改進了一個耦合氣體流道和氣體擴散層的兩相、三維和多組分質(zhì)子交換膜燃料電池模型，運用COMSOL Multiphysics軟件對4種流場板進行模擬研究，研究分析了4種流場板模擬所得的陽極氫氣濃度、陰極氧氣濃度、陰極水濃度以及電流密度，發(fā)現(xiàn)單邊交指單蛇形流道中的陰極氧氣濃度分布最均勻，排水性能最好；并且，陽極流場的形狀對質(zhì)子交換膜燃料電池的性能影響不大，起決定性作用的是陰極流場的形狀。

1.2 整體系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

僅僅對PEMFC電堆進行研究是不夠的，PEMFC發(fā)動機是一個復雜的動力系統(tǒng)，其高效的總體性能靠電池電堆和輔助系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合來保證，電堆性能處于最優(yōu)時并不一定使得系統(tǒng)性能最優(yōu)，因此，我們還需要對整體系統(tǒng)進行研究。

Gao等[4]對45 kW級質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機的電堆、反應氣體供應以及水熱管理3個主要模塊建立了數(shù)學模型，在建立電堆電壓模型時，引入了誤差補償項，提高了電壓計算精度，并通過試驗數(shù)據(jù)得以驗證，研究了冷卻液入堆溫度、空氣過量系數(shù)和陰極入口空氣壓力對系統(tǒng)性能的影響。結果表明：為了獲得較好的系統(tǒng)輸出性能，應適當降低冷卻液入堆溫度，提高陰極入口空氣壓力。

Wang等[5]針對100 kW燃料電池發(fā)電系統(tǒng)進行了研究，建立了燃料電池系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型，研究了電堆進氣相對濕度、操作溫度、操作壓力、冷卻溫度對系統(tǒng)水熱平衡的影響。研究結果表明：隨著電堆運行壓力的升高，陽極尾氣的液態(tài)水含量略微升高，陰極尾氣的液態(tài)水含量幾乎無變化；隨著冷卻溫度的升高，電堆陽極尾氣中液態(tài)水含量略有降低，氣態(tài)水含量大幅升高，但對冷卻水量的影響不明顯；為保證系統(tǒng)的水熱平衡，應優(yōu)先滿足空氣介質(zhì)的加濕需求。

2 PEMFC發(fā)動機水熱管理的研究現(xiàn)狀

2.1 水管理

PEMFC發(fā)動機的水管理主要是保證PEMFC中的水平衡，而PEMFC的核心部件膜電極(MEA)對PEMFC的水平衡起著重要的影響，膜電極應有一定的含水量，以保證膜良好的質(zhì)子傳導性, 否則膜易脫水、皺縮甚至破裂, 嚴重阻礙質(zhì)子傳導；同時水又不能太多, 膜中含水量過多,會造成陰極淹沒。膜中水含量對PEMFC的具體影響主要有以下方面[6]。

1)液態(tài)水的凝聚會導致陰極氧化劑氣體的擴散速度降低，傳質(zhì)過程受阻，而水過多還會淹沒催化劑的活性點。

2)液態(tài)水的存在導致氣體在電極內(nèi)和各單元之間分布不均勻，電池性能下降，并造成系統(tǒng)內(nèi)各個單元電池的電壓不同。

3)反應氣體被水蒸氣稀釋，從而造成反應界面上反應氣體的不足。

4)如果質(zhì)子交換膜失水過多，其電導率將會下降，導致電池的歐姆電壓損失增大。

5)質(zhì)子交換膜中的含水量對電催化活性也有影響，膜失水后催化層界面的活性也會下降。

水分子在膜中遷移受4個驅(qū)動力的作用[7]: 1)電滲力的拖動作用，指的是質(zhì)子從陽極遷移到陰極時，會攜帶一部分水分子； 2)陰極向陽極的反擴散作用，由于水在膜兩側的濃度差，水將穿過膜從陰極向陽極反擴散； 3)燃料氣體或氧化劑氣體中的水分子向膜中的擴散； 4)陰陽兩極間的壓力梯度造成的水滲透。

反應氣的濕化程度、電池工作溫度、反應氣溫度以及流量等因素都與膜中水含量有著密切的關系。在實際工作狀態(tài)下，因為以上各種因素的影響，很難保持膜中的水平衡，必須進行有效的水管理，否則將會嚴重影響PEMFC的工作效率和使用壽命。

胡蘊宇等[8]就車用質(zhì)子交換膜燃料電池的水管理和熱管理方法進行了介紹，其中主要介紹了水管理的3種主要方式：反應氣加濕、質(zhì)子交換膜內(nèi)水傳遞的控制和電池排水。文中指出：反應氣加濕可通過外部加濕法、內(nèi)部加濕法、自加濕法實現(xiàn)；質(zhì)子交換膜內(nèi)水傳遞的控制主要通過對反應氣的流量與壓力施加影響實現(xiàn)；電池排水可通過氣態(tài)排水和液體排水2種方式實現(xiàn)。

律翠萍等[9]對膜中水的遷移機理及影響水平衡的主要因素進行了分析，介紹了目前較為有效的水管理方法，包括調(diào)節(jié)反應氣的濕度、改進電池構造、改進MEA 結構、優(yōu)化電池內(nèi)部傳質(zhì)過程、改進流場分布強化傳質(zhì)等方法。

2.2 熱管理

PEMFC發(fā)動機的熱管理主要是保證PEMFC中的熱平衡，使PEMFC的工作溫度維持在最佳工作范圍。工作溫度低時，電池內(nèi)各種極化增強，歐姆阻抗也較大，電池性能較差；溫度升高時，會降低各種極化和歐姆阻抗，電池性能提高，但溫度過高會導致膜脫水，使電導率下降，電池性能降低。工作溫度對PEMFC的具體影響主要有以下方面[10]。

1)溫度升高，使H2、O2的擴散系數(shù)加大，改善了電極內(nèi)氣體傳質(zhì)。

2)溫度升高，使催化劑Pt的活性提高，反應速率加快。

3)溫度升高，使電化學反應的速度加快，電子在MEA電極內(nèi)運動加快，使質(zhì)子H+傳遞速度加快，從而減小電化學極化現(xiàn)象，可獲得較大電流。

4)溫度升高，使質(zhì)子交換膜內(nèi)水擴散系數(shù)增加，因此，陰極電化學反應生成的水向陽極擴散的速度加快，從而使質(zhì)子交換膜內(nèi)水分布均勻。

5)溫度過高，使質(zhì)子交換膜脫水、收縮甚至破裂，不僅使電池電導率下降，還會降低電池的使用壽命。

燃料電池中熱量來自4個方面[11]： 1)電池的不可逆性而產(chǎn)生的化學反應熱； 2)歐姆極化而產(chǎn)生的焦耳熱； 3)加濕氣體帶入的熱量； 4)吸收環(huán)境輻射熱量。為了使燃料電池內(nèi)部達到熱平衡，需要將產(chǎn)生的熱量及時排出。通常，燃料電池的尾氣會帶走一部分熱量，電池外表面的自然對流會帶走一部分熱量，但這2種方式所帶走的熱量極少，達不到除熱的需求，還需要采用更有效的排熱方法。

目前主要有冷卻液循環(huán)排熱、空氣冷卻和液體蒸發(fā)冷卻3種排熱方式，其中冷卻液循環(huán)排熱方式被普遍采用。雖然在排熱方式的選擇上都大同小異，但是大量專家學者對加強散熱量及散熱器布置方面進行了大量研究。

常國峰等[12]基于燃料電池乘用車的熱管理系統(tǒng)模型，研究了該乘用車在勻速、加速、爬坡和不同環(huán)境溫度下的整車熱管理系統(tǒng)的工作特性，研究發(fā)現(xiàn)：當燃料電池工作溫度低、熱負荷大時，熱管理系統(tǒng)無法在全工況滿足燃料電池系統(tǒng)散熱的需求，需通過提高燃料電池的工作溫度、增加迎風空氣流量等方法來增加整車熱管理系統(tǒng)的散熱量。

李正秋等[13]對燃料電池汽車幾種不同的整車熱管理系統(tǒng)布置方案進行了研究，通過計算出不同設計方案下發(fā)動機散熱器、PCU散熱器和空調(diào)冷凝器的散熱量，分析研究了不同的發(fā)動機散熱器、PCU散熱器和空調(diào)冷凝器布置方式對整體散熱性能的影響，得到了較優(yōu)的熱管理系統(tǒng)散熱方案。

3 PEMFC發(fā)動機冷起動的研究現(xiàn)狀

3.1 冷起動中的水熱分布

PEMFC發(fā)動機在零下起動過程中，陰極氧氣發(fā)生還原反應生成水，生成的液態(tài)水會在陰極催化劑層內(nèi)部結冰，因而阻礙氧氣傳輸，并覆蓋催化劑層反應活性位點，降低電化學活性面積，影響燃料電池發(fā)電性能。如果電池溫度在陰極催化劑層完全被冰覆蓋之前達到零度，則電池零下起動成功；反之，則會導致電池零下起動失敗。此外，結冰還會破壞膜電極結構，影響燃料電池壽命[14]。為了提高PEMFC冷起動的成功率，降低或者避免冷起動過程中膜電極的損壞，許多專家學者對PEMFC發(fā)動機零下起動過程中的水熱分布進行了研究。

Weng等[15]介紹了PEMFC冷起動時水熱傳輸機理，簡述了質(zhì)子交換膜燃料電池冷起動時水熱分布特性、影響水熱分布的主要因素和有效的水熱管理方法。結果表明：水熱分布是相互關聯(lián)的，影響水熱分布的因素即有外部因素也有內(nèi)部因素，需結合這兩個方面來改善燃料電池冷起動性能及水熱分布。

Yue等[16]對PEMFC低溫起動的冰凍機理，包括冰的形成位置、冰形成的影響因素、結冰對PEMFC的影響等方面進行了簡述；對冷起動中水熱傳輸特性，包括水傳輸?shù)挠绊懸蛩?、水分布的可視化研究方法、溫度分布與熱量傳輸?shù)确矫孢M行了介紹分析。分析表明：電池的具體結冰位置還沒有統(tǒng)一的定論；冷起動過程中冰的形成確實破壞了膜電極組件，縮短了電池壽命；基于電極材料和電池結構的水熱管理或許是未來的研究熱點。

3.2 冷起動過程的仿真研究

PEMFC零下起動模型的研究從2000年開始興起，期間主要提出了燃料電池零下起動的一維模型，但是零下起動一維模型沒有考慮里面的熱傳遞以及物質(zhì)擴散過程，存在一定程度的局限性。隨著技術發(fā)展，多維度燃料電池零下起動模型逐漸被提出[17]。目前，對PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)冷起動過程進行建模仿真已成為研究的熱點。

李義等[18]使用AMESim軟件建立了一個燃料電池系統(tǒng)模型，針對起動電壓、電堆初始溫度、進氣溫度等影響燃料電池系統(tǒng)低溫起動性能的因素進行了研究，仿真結果顯示：較低的起動電壓有利于低溫起動過程，溫度越低低溫起動越困難，反應氣體的溫度對低溫起動過程影響不大。

李友才等[19]在Matlab/ Simulink軟件平臺上搭建了由20片電池及端板組成的瞬態(tài)分層集總參數(shù)電堆水熱管理模型，分別對不同雙極板材料、不同端板材料、電堆內(nèi)有或無殘存冷卻液和加載1.0 A/cm2的電流密度的情況進行了仿真研究，研究發(fā)現(xiàn)：雙極板材料的比熱小、電堆內(nèi)無殘存冷卻液時，電堆達到0 ℃的時間較短；對電堆加載1.0 A/cm2的電流，經(jīng)過47.6 s使電堆最冷電池陰極催化層的溫度達到觸發(fā)溫度0 ℃，可以滿足電堆低溫起動的條件。

3.3 冷起動過程的試驗研究

目前，眾多專家學者除了對PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)冷起動過程進行建模仿真外，還進行了大量試驗研究，通過試驗可以更準確的研究各影響因素對冷起動過程的影響，以便得出更有效的冷起動和停機保溫方法。

Li等[20]為評價不同參數(shù)對PEMFC電堆低溫起動性能的影響，搭建了燃料電池電堆低溫起動試驗平臺，試驗研究了5 kW燃料電池電堆在-5、-10和-15 ℃下的低溫起動性能，研究結果表明：在低溫下恒電壓模式比恒電流模式更有利于電堆升溫；電堆起動電壓為30 V時升溫速度快于40和20 V時；初始溫度越低時電堆升溫速率越慢。

Li等[21]根據(jù)PEMFC電堆起動和停機的控制策略，建造了PEMFC電堆低溫起動平臺。用20 mm厚的軟橡塑泡沫、聚苯乙烯和真空絕緣板將電堆密封，在-10 ℃環(huán)境艙內(nèi)進行了保溫試驗研究。研究發(fā)現(xiàn)：電堆從80 ℃降到了0 ℃所需要的時間分別為23.4、33和45 h。在相同的條件下，用真空絕緣板密封電堆可使電堆的保溫時間最長、保溫效果最好。

4 結論

PEMFC發(fā)動機具有工作溫度低、結構緊湊、起動迅速、對負荷變化快速響應等優(yōu)點，被認為是未來電動汽車動力系統(tǒng)的最佳選擇之一。本文中根據(jù)眾多學者的研究成果對PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)及電池電堆這一核心部件的研究現(xiàn)狀進行了總結，簡述了PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)水熱管理的重要性和低溫冷起動的機理，總結綜述了水熱管理和低溫起動問題的相關研究，認為進一步推廣PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)需要克服水熱管理和低溫起動兩大關鍵問題。