质子交换膜燃料电池热管理技术分析与展望

关键词：质子交换膜 燃料电池 电堆 冷却策略布局

质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC）具有功率密度高、启动速度快、启动温度低等优点，是目前交通领域公认的最具潜力的零排放动力源。然而，目前PEMFC在耐久性和成本等方面仍然存在一定的商业化应用困难。

PEMFC工作中会产生较多热量，且该热量不能通过循环工质清扫，依赖冷却散热将热量排出。通常来说，其最佳工作温度范围为60~80℃，当工作温度超过上限后，质子交换膜及催化剂会受热降解，显著降低电堆工作性能；当工作温度较低时，其电化学反应动力学受到负面影响，甚至可能导致水淹等重大故障。综上，对PEMFC热管理系统而言，需要在不同工况下实现电堆高效冷却。在交通领域场景下，需要保障较高的功率输出与功率密度，加剧了电堆冷却难度。

对PEMFC热管理系统来说，冷却措施的设计需要在满足系统散热需求的基础上尽可能减小尺寸并降低成本，保证较小的寄生功率、较高的耐久性与较优的性能指标。目前主要使用如下几类冷却措施：（1）改善阴极空气供应冷却性能；（2）增加单独的气体冷却手段；（3）加入散热片结构改善边缘冷却；（4）采用不同的液体介质提高冷却效果；（5）相变冷却。本文对比分析各类冷却措施的优势、局限性与挑战，旨在明确未来PEMFC热管理冷却技术的发展趋势，为未来PEMFC热管理系统的高效冷却提供技术参考。

使用散热片进行PEMFC电堆冷却，主要依赖于冷却板平面内方向的热传导性能，通过冷却板将PEMFC工作产热从电堆的中心区域迁移到外围区域，也被称为边缘冷却。与主动液体冷却相比，使用边缘冷却可以避免电堆内部的冷却剂循环，无需使用外部冷却剂循环泵，有效降低热管理系统的复杂度，降低系统总体质量，且由于没有使用外部冷却剂循环泵，总体可靠性可略有增加。边缘冷却的主要挑战是确保冷却板具有极高的面内导热系数，以确保高效控制电堆活动区域的温度变化，采用具有高导热系统的导热材料和热管是解决上述问题的两种主要途径。

石墨基材料具有极高的导热性能和较低的密度，是目前PEMFC中应用最为广泛的散热材料。Fluckiger等人使用膨胀石墨制成的隔板作为散热片，Wen等人采用具有极高导热系数的热解石墨板作为边缘散热的散热片，该方法可降低PEMFC电堆单电池的工作温度，并改善其温度分布的均匀性。

需要注意的是，在某些集成双极板中，气体流场和冷却流场在双极板的同一板面上。其主要依赖从气体流场到冷却剂流场的平面传热。因此，上述情况也被认为是通过散热片进行冷却，且双极板必须具有足够高的热导率，以避免出现较大的温差。

热管具有极高的有效导热系数，可以在非常小的横截面积下实现长距离的热量输运，且无需使用额外的电源作为能量输入，受到学术界和工业界的广泛关注[6]。在PEMFC热管理系统中使用热管作为冷却装置时，需要特别关注的问题在于如何设计并制造可以集成到PEMFC电堆中的热管以实现其冷却作用。

目前主要有两类途径可以实现PEMFC电堆与热管的集成：（1）将微型热管嵌入带有装配孔的双极板；（2）将平板热管与双极板集成。对于第一种途径，最重要的是如何设计并制造双极板及其孔洞，实现孔洞内微型热管的高效密封；对于第二种途径，难点也同样聚焦在其平板热管和双极板的制造与平板热管的密封。

瓦西里耶夫等验证了热管在PEMFC热管理中的应用潜力。针对不同散热需求的PEMFC电堆，提出并验证了包括微型热管（1-10w）、环形热管（10-100w）、脉动热管和吸附热管（100-1000w）在内的不同热管的传热特性与应用方法。

与空气流动相比，液体流动的传热系数明显更高，因此，使用液体冷却的高传热系数增强传热能力是大功率PEMFC电堆中应用最广泛的冷却策略之一。目前，最常用的液体冷却介质是去离子水或防冻冷却液（即乙二醇与水的混合物），二者都具有很高的热容量，便于实现大热量输运。

为利用液冷方法实现PEMFC电堆尤其是车用PEMFC电堆的有效冷却，学术界和工业界就如何提高液冷系统的冷却性能进行了广泛研究，尤其是冷却液流场优化、冷却通道优化、替代冷却介质、精确控制等。

新能源商用车的共享化发展主要分为两Chen等分析比较了三蛇形和三并联六种冷却剂流场结构，结果表明，受并联结构中的冷却剂流量分布不均匀的影响，与并联结构相比，蛇形结构具有更好的冷却效果，上述结果也得到了Choi等人[13]的数值研究分析支撑。

Asghari等人通过采用平行蛇形流场设计，发现反应气体出口流形对双极板内部的温度分布具有较大影响，表明在燃料电池电堆冷却系统流道设计中需要考虑双极板温度分布均匀性的影响。刘洪建等人优化了三通冷却水管路系统以分流冷却水，证明优化后的流量分配均匀性更佳。

虽然水和乙二醇及其混合液被广泛应用在PEMFC电堆冷却系统中，但在PEMFC工作过程中双极板会与乙二醇氧化造成离子污染，使得冷却截止的导电性提升，导致电流并造成冷却介质回路出现泄露，降低PEMFC电堆综合效率，甚至会导致双极板退化。因此，需要对PEMFC电堆冷却系统的冷却介质的导电性进行监测，采用离子交换树脂去除离子污染。然而，上述方法会导致PEMFC电堆冷却系统的成本增加，复杂性提升。为克服上述问题，目前广泛采用的方案是开发替代低导电性的冷却介质或在冷却介质中添加抗氧化剂，以保持冷却介质的低电导率。

液冷技术是车用大功率PEMFC电堆中应用最为广泛的散热系统技术方案，其散热量须经由散热器从车外传递至周围环境。阿卢瓦利亚等人通过研究发现，将PEMFC电堆的工作温度提高至90-95℃，能维持较高的散热效率。然而，该工作温度将对质子交换膜产生负面影响，需要对采用液冷系统的车用大功率PEMFC电堆进行全局优化研究。

为了在散热器热容量固定的情况下实现更高的冷却性能，Kim等人建议使用基于二氧化碳空调机组的辅助冷却系统。其中，当旁通阀常闭时，通过空调系统冷却乘员舱；当对电堆冷却有更高的要求时，旁通阀打开，内部冷却风扇停止，将空调机组用于冷却PEMFC电堆。

与液冷技术相比，相变冷却通过充分利用冷却机制的蒸发潜热，使用亲水性芯吸、压差或密度差进行冷却截止循环，可实现较低的冷却介质流速、简化的系统布局以及无需以来外部冷却循环泵等诸多优点，受到了学术界和产业界的广泛关注。

Snyder等人研究了超声雾化水进入阳极气流蒸发冷却的可行性。结果表明，该方法可提高PEMFC电压输出并减小电压振荡。Adcock等人在PEMFC电堆中实现了直接注水蒸发冷却。采用上述冷却方式可以极大降低冷却系统复杂性。

沸腾冷却具有极强的冷却能力，被广泛应用于计算机芯片、激光二极管等高热流密度器件的冷却领域。

沸腾冷却同样适用于PEMFC电堆。由沸腾冷却的工作原理可知，冷却介质的沸腾温度必须低于电堆的正常工作温度。Song等人证明了沸腾冷却的可行性，通过使用蒸汽和液态水之间的密度差产生浮力，实现冷却介质在PEMFC电堆和冷却介质存储装置中的循环，在该冷却系统的帮助下，电堆温度保持在稳定目标温度，温度分布更均匀。

本文对 PEMFC 热管理技术进行了分析与展望，阐述了散热片冷却、液体冷却和相变冷却的相关研究进展。对散热片冷却技术而言，如何实现超高导热 系数的散热材料是其实现 PEMFC 高效冷却的关键；对液体冷却而言，如何优化冷却剂和反应气体流量结构，并开发替代冷却剂以防止冷却剂降解是其实现 PEMFC 电堆热管理的关键因素；对相 变冷却而言，其已被认可为是一种更有优势的技术，值得投入更多精力开展研究.。

来源：汽车技术

作者：李兰

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