車用質子交換膜燃料電池發動機的水管理和熱管

admin 2011-08-27

車用質子交換膜燃料電池發動機的水管理和熱管理方法

質子交換膜燃料電池（PEMFC）除具有燃料電池一般特點之外，還具有低溫啟動快、無電解液流失、水易排出、壽命長、比功率和比能量高等突出優點，能夠取代現有的汽車發動機作為動力源。
是一個燃料電池發動機系統的示意圖。燃料供給設備一般為氫罐，進入陽極前先加濕及加熱；空氣供給設備（空壓機或風機）向電池提供環境中的空氣，進入陰極前也須調節狀態；散熱器排出冷卻液從電池堆帶出的熱量。
目前影響PEMFC技術實用化的一個重要問題是熱量和水的管理。燃料電池內部熱平衡與水平衡緊密相聯、互相影響，對燃料電池組的功率提升、燃料效率最佳化、燃料電池的壽命和運行安全起著關鍵作用。
燃料電池發動機系統的水和熱的管理是相輔相成的，按照不同的回路，對電池反應循環內水的管理和對電池需要排出熱的管理加以了區分，希望對燃料電池動力系統的分析和計算提供一個新穎而有效的方法。

一、水管理
在PEMFC 中，質子交換膜需要保持一定的濕潤度才能保持質子的高傳導性和良好的運行特性，過干會使質子交換膜失去傳導質子的能力，電池堆中水量過多也會影響電池堆性能，造成電極水淹等問題。Ballard 和TAMU 等公司對PEMFC的水管理進行了深入研究，提出了實現有效水管理的多種途徑：
（1）膜電極和電池結構的優化設計；
（2）對PEMFC的運行參數進行綜合調整； (3）選擇合適的質子交換膜和碳布（紙）。當燃料電池選定后，一般就通過對該系統的參數進行自動控制的方式來進行管理。水管理的內容包括反應氣加濕、質子交換膜內水傳遞的控制和電池排水。
1．反應氣加濕
為了使燃料電池穩定、高功率運轉，質子交換膜應保持濕潤狀態，維持質子通道并減小內阻，質子通道與外電路構成了回路。膜的電導率強烈地依賴于膜中水含量，所以控制適當的水分布對提高膜電導率具有十分重要的意義。水管理對于改善膜中水分布，提高PEM燃料電池的性能至關重要。因此要使燃料電池正常發電，加濕系統就顯得相當重要。目前的電池加濕方法可以分為3類：
（1）外部加濕法。包括簡單外增濕法、直接液態水濕化法、滲透膜增濕器；
（2）內部加濕法。包括滲透膜法、多孔碳板法；
（3）自加濕法。包括壓力遷移法、體流場改進法、Pt-PEM 膜自增濕法。目前，普遍采用膜加濕器對電池堆進行加濕。一般計算時按照進口濕度為100%，但實際均達不到。
2．質子交換膜內水傳遞的控制
對質子交換膜內水傳遞的控制主要通過對反應氣的流量與壓力施加影響來實現。
陰極流量的影響：隨著陰極化學計量比（供給的氣體量與產生給定電流所需氣體量的比）的提高，電池的端電壓得到了較大幅度的提高，出口水的摩爾分數呈現下降趨勢，因此膜側的水活度下降，導致膜中的水含量下降。由于質子交換膜的厚度很薄，而且均為飽和增濕，膜中的水傳遞幾乎沒有什么變化。這樣，可以在不損害水管理性能的同時獲得較高的電池功率。但是陰極流量即空氣流量的增加會使空壓機負荷增大，因此需要綜合優化以獲得最大系統效率。
陽極流量的影響：相對于陰極流量而言，陽極流量對電池電壓的影響較小。在陽極飽和增濕的條件下，陽極流量的加大會使膜中水含量增大，電遷移作用的增強和膜中水含量梯度的減小導致膜中水的凈傳遞系數進一步增大。同陰極流量相比，化學計量比對水傳遞的影響與其進口狀態有更大關系。陰極即使在飽和增濕的條件下，增大流量仍然會存在膜失水，這是因為氣體組分中大部分為惰性氮氣。當陽極進口相對濕度為0 時，隨著陽極流量的加大，陽極出口相對濕度減小，強烈的反擴散導致水從陰極向陽極側傳遞，PEM 處于失水狀態。
從陰極和陽極流量的分析中可以看出，增大陽極和陰極流量都可以有效地減小擴散層中的水摩爾分數，而采用較干的、大流量的陽極氣流更為有效，同時陽極排水對電池反應的影響更小。
壓力的影響：水在質子交換膜內的遷移可以用Nerst-Plank 公式定量表達：
式中：nd-水的電遷移系數；Dm-水在膜中的擴散系數；Kp-水在膜中的滲透系數；μ-水在膜中的黏度；CW，m-膜中水濃度；I-電流密度；pm-膜兩側壓力。
由該式可知，陰極室的工作壓力高于陽極室工作壓力，有利于水從膜的陰極側向陽極側傳遞，但這種壓差不能過大，因為受到電池結構設計和膜的強度制約，同時若用空氣作氧化劑，提高空氣壓力也增加了空壓機的功耗。如果兩極壓力同時提高，則反應氣濃度增加，電池端電壓提高，同時，水蒸氣的摩爾百分數減小，膜兩側的水活度呈現一個非線性變化的過程。膜中的凈水傳遞系數隨壓力的升高逐漸減小，這是電遷移和濃差擴散相互作用的結果。
3．電池排水
PEMFC 工作溫度一般低于100℃，氧的電化學還原反應生成的水為液態水。生成的水可以通過兩種方式排出，一種為氣態排水，若反應氣中水蒸氣的分壓未達到相應電池工作溫度下的水蒸氣分壓時，水會氣化，隨電池排放的尾氣排出；另一種為液態排水，此時反應氣的相對濕度已達到100%，在電極催化層生成的液態水靠壓差、重力等的推動，傳遞到擴散層氣相側，液態水滴由反應氣夾帶或吹掃出電池。一般情況下，這兩種方式同時存在。
以空氣作為氧化劑時，氧氣傳質比純氧氣作為氧化劑時更加困難，所以應盡可能增加氣態排水份額，這樣不但有利于減少擴散層內液態水量，有利于氧傳質，而且還可以利用水蒸發潛熱，減少電池排熱負荷。
如果電池系統采用自增濕方式，排出的尾氣需經過冷凝器收集一部分加濕所需要的水。
冷凝回收水質量=系統所需水質量-電池堆內部凝結水質量。

二、熱管理
燃料電池的效率一般在50%左右，即燃料電池對外輸出功率和排出的熱量是相等的，因此燃料電池發動機排出的熱量很大，約為內燃機排出熱量的2～3倍。由于質子交換膜對溫度的敏感性，而且電池排熱溫度不高，因此對散熱系統提出了很高的要求。熱管理的主要任務是維持電池組穩定工作的溫度。
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熱管理對采用燃料電池作為動力系統汽車的動力性、安全性和動力系統本身的壽命具有決定性影響。燃料電池汽車動力系統熱管理，是從系統集成和整體的角度控制和優化燃料電池汽車的熱量傳遞過程，將燃料電池發動機各子系統、蓄電池冷卻系統等組成一個高效的熱管理系統，合理地管理并利用熱能，減少廢熱排放，提高能源利用效率，改善整個動力系統的性能和提高汽車的燃料經濟性。
燃料電池發動機通常采用的排熱方式為用超純水做冷卻液循環排熱，熱管理主要對系統參數（如冷卻液的進出口溫度和流量等）進行控制。將電池組工作溫度控制在最佳范圍內有兩種方式：最優方式為隨電池組輸出功率的變化，改變冷卻劑流量，將電池組工作溫度控制在預置的區間內；另一種方式為固定冷卻劑的流量，控制進出電池組冷卻劑的溫差變化。當采用后者時，應依據電池組在最大輸出功率時的效率，計算冷卻劑進出電池組的最大允許溫差下冷卻劑的最小流量，選用的冷卻劑流量應大于這一值。為確保電池組溫度分布的均勻性，進出口冷卻液溫差一般不超過10℃，最好為5℃。
目前一般的冷卻液循環部分的設計為：電池堆的冷卻液進出口處設置溫度傳感器，冷卻風扇后設置一個水流量計。冷卻液從電池堆出來后經散熱器冷卻后再次進入電池堆，其動力由冷卻水泵提供。控制單元根據溫度傳感器和水流量計測到的信號來控制冷卻水泵的流量和冷卻風扇的轉速，將冷卻液的進口溫度控制在70℃左右，出口溫度控制在80℃左右，從而維持電池堆內部的熱平衡，使電池堆高效、穩定運行。
熱管理系統特性數值仿真的主要難點為關鍵部件、子系統建模和熱管理系統集成動力學模型建模。由于燃料電池汽車動力系統為復雜通道、復雜邊界條件、多熱源和多目標的流體與熱系統，系統計算分析十分復雜，目前國外在這方面的研究亦起步不久。
三、結語
本文將質子交換膜燃料電池發動機的水管理和熱管理定義為對反應回路中所需水的管理控制和對冷卻回路的管理控制，便于對電池系統水熱管理系統的設計、分析和計算。其中水管理包括反應氣加濕、質子交換膜內水傳遞的控制和電池排水。熱管理的任務是通過控制冷卻循環系統來保持電池堆的穩定工作溫度。進行水熱管理的目的在于提高燃料電池的運行效率、保障運行安全，但要提高燃料電池發動機系統的總體輸出功率，還需針對具體的系統進行優化工作。