先进燃料电池电堆水热管理技术

燃料电池技术实现化学能到电能的高效转化 #生活知识# #科技生活# #科技改变生活# #新能源技术#

水不仅是人类的生命之源，也是燃料电池（又称PEMFC）的生命之源。在燃料电池的反应过程中，水既是反应产物，也是质子交换膜高效、可靠、长寿命运行的基本保障。

那么问题来了，如何做到精确实时的水平衡调控，来保障燃料电池的可靠运行呢？

在常温环境下，水在PEMFC内的存在形态有水蒸气、液态水、电解质结合水（磺酸根侧链团簇吸附的水）这几种状态。

同时，水的传输形态不同，其活动区域也不尽相同：

①水的跨膜输运过程主要包含电渗拖拽效应（以电荷转移驱动）、反扩散作用（以水含量梯度驱动）、液压渗透等过程（以液压梯度驱动）（如图1）；

②在多孔层中按位置不同，水蒸气以扩散、对流驱动其传质过程；

③在多孔层中也按位置不同，液态水以液压（或毛细压力）以及对流驱动传质；

④在流道内液态水依靠混合气吹扫从电池排出。

图1燃料电池内部的质量传输过程

燃料电池可靠运行依赖于精确实时的水平衡调控，既要保证电解质充分润湿维持高效的离子传输，也要避免水过量残留造成水淹，增加氧化剂与还原剂的传质阻力。

热则是一把双刃剑，化学反应的发生总是伴随热量的产生或消耗。燃料电池的热来自多个过程，诸如反应热（克服反应能垒产生的活化热、熵变产热等）、欧姆热、相变热等。热量的传递总是以温差为推动力。

①电池内各组件间热量传递方式多以热传导为主；

②流场内混合气与电池各组件间热量传递方式以对流换热方式为主。

如果电池整体过热或局部过热，将造成膜电极损伤甚至损毁。为保持电池的热平衡，实现合理的热量管理，车用燃料电池电堆多使用高热容的冷却液循环实现对热量的管控。

在车用场景要求下，新一代燃料电池系统，为加速系统动态响应，提高燃料利用率，降低成本，减小系统体积，提升系统安全性（无脉冲排放时氢气浓度高的隐患），反应气加湿已由传统阴极外增湿逐步转换至阳极循环自增湿。

为缓解整车散热压力，电堆工作温度已大幅度提升至94ºC以上。同时，燃料电池的材料体系和结构体系也会产生相应变化，诸如催化剂用量减少，高质量比活性催化剂的应用，超薄金属双极板与复杂有序流场的设计应用等。所以水热管理方式与策略也要与时俱进。

基于以上认知，构建和发展了多种典型高效的工程化水热管理方法，包含常温至高温环境下燃料电池水热舒适度评价指数、常温动态过程、零下环境电堆水热评价方法等。本文主要针对常温至高温环境下燃料电池水热舒适度评价指数开展介绍。将原本定性的电堆水热状态理解加以量化，实现对电堆水热状态的精确认知和科学调控。

电堆水热舒适度评价指数的构建与应用

舒适度通常是指人们从生理与心理等方面对客观环境的满意程度，存在个体差异，也会受环境、人为等多种因素的影响。

研究表明，影响人体舒适程度的气象因素，首先是气温，其次是湿度，也包含风向、风速等。图2（a）是日常生活中常用的温湿度计。这里我们借用气象学观点，将燃料电池水热舒适度评价指数定义为电池从水热方面对客观环境所感受到的满意程度，影响因素包含燃料电池各种物性状态（设计参数等）及工作环境（流体的状态参数等）。

在当前燃料电池材料体系与设计状态下，影响燃料电池水热舒适度的主要因素为冷却液温度。类比于环境温湿度计，也做了一个燃料电池的温湿度计，来衡量燃料电池内的水热舒适度，如图2（b）所示。

图2（a）环境温湿度计；（b）燃料电池“温湿度计”

合理的水热管理策略将拓宽燃料电池的温、湿度舒适区间，使燃料电池性能和寿命对更宽的温、湿度范围具有更好的耐受性。

水热舒适度指数借鉴了气象学观点来评价燃料电池在工作条件下的水热舒适度，当阴极发生水淹问题时，液态水阻塞流动面积，导致局部欠气；当电解质/膜发生脱水后，将大幅提升自身欧姆阻抗，同时影响有效反应面积（如图3）。

图3燃料电池内部的水行为

这里选取两个代表性指标，阴极积水状态和阳极水合状态，用来综合反映燃料电池的水热舒适性。采用模糊综合评判方法，将水热舒适度指数定义为：

以上各参数对应给定环境下的燃料电池自身运行特性。

以下图4为例，参考例为指定设计及操作条件下的电堆水热舒适度指数曲线，当设计参数发生变更，例如膜厚度增厚，舒适度指数将整体下降，也就是说，薄质子交换膜设计有利于舒适度指数的提升；当操作条件发生变更，例如操作压力下降，舒适区范围将变窄。

图4不同条件下水热舒适度指数

此外，质子交换膜对含水量的依赖，以及相变平衡对温度的敏感性等关键因素也都耦合在了水热舒适度指数中。

水热舒适度指数（R≤1）接近1表示电池的水热状态越良好，R随热环境变化而变化。依据经验，建议燃料电池的水热舒适度指数高于0.8，才能保证良好的电堆运行状态。

水热舒适度指数能够实现对电堆水热状态的简化与实时量化，从而实现及时、高效的水热管理，避免因水热问题造成的性能衰减与耐久恶化。一方面，电堆设计要选取合适的材料体系，以及合理的零部件匹配，从设计之初就保证宽泛的电堆水热舒适度范围，使之对温湿度变化耐受性更强；另一方面，当电堆水热在特定场景出现问题时，也能通过操作条件的调整，高效地实现对电堆水热问题的解决和管控。（来源：捷氢科技）

文章由易车号作者提供

网址：先进燃料电池电堆水热管理技术 https://www.yuejiaxmz.com/news/view/870237

相关内容

【中国科学报】氢燃料电池汽车整车热管理技术研究获进展
氢燃料电池汽车整车热管理技术研究获进展—新闻—科学网
帝森克罗德申请一种氢燃料电池热电联供系统的控制方法专利，有效进行燃料电池热量管理
电池热管理技术
电池热管理技术研究
纯电动汽车电池热管理技术研究
想买电动车？先看看特斯拉的电池热管理技术到底有多领先
电池热管理技术揭秘！
基于固体氧化物燃料电池的高效清洁发电系统
电动汽车动力电池热管理技术

随便看看