李容，謝曉峰，齊亮，郭建偉

(清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京100084)

　　摘要：對質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)進(jìn)行熱量平衡計算，就熱量的傳遞、綜合利用，燃料電池?zé)犭娐?lián)供技術(shù)，進(jìn)行了闡述。對PEMFC熱管理的數(shù)值模擬進(jìn)展進(jìn)行了綜述，指出熱管理數(shù)值模擬正逐步向三維數(shù)值模擬方向發(fā)展；完備的數(shù)值模擬將為PEMFC的熱管理奠定良好的理論基礎(chǔ)。

　　質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有工作溫度低、比功率高、冷啟動快、低噪音、開發(fā)投入相對較少等優(yōu)點，逐漸成為燃料電池開發(fā)的熱點之一。

　　基于PEMFC的實際工作效率，燃料的化學(xué)能通過PEMFC轉(zhuǎn)化成的電能和熱能約各占一半。熱能部分主要包括電化學(xué)反應(yīng)生成熱、歐姆熱和相變熱等。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，PEMFC內(nèi)的熱量不斷積累，如果不對其進(jìn)行有效的管理，將導(dǎo)致PEMFC局部溫度升高，進(jìn)而危及電池的成功運行。對PEMFC運行時產(chǎn)生的熱量進(jìn)行合理分配、傳遞和利用，即進(jìn)行有效的熱管理，是使系統(tǒng)獲得較高能量利用效率的有效方法，也是系統(tǒng)在較高功率密度下仍能保持較高工作效率的關(guān)鍵因素；對PEMFC甚至系統(tǒng)的運行性能、壽命和安全起著至關(guān)重要的作用。

　　1 PEMFC的熱管理

　　PEMFC的熱管理，就是研究電池內(nèi)部熱量的生成與傳遞，探索溫度場的分布及其影響因素，通過合理的熱量分配、傳遞和利用，促使整個電池吸放熱平衡在某溫度范圍，溫度場均勻分布，使電池高效運行，并獲得高的整體能量利用效率。

　　1.2熱量的排放

　　PEMFC與外界熱量的傳遞主要通過熱傳導(dǎo)、強迫流動換熱、自然對流換熱及輻射換熱等方式。由于PEMFC工作溫度的限制，通過輻射換熱傳遞的熱量十分有限。其熱量的傳遞主要依靠強迫流動換熱及自然對流換熱的方式實現(xiàn)。

　　PEMFC中最常見的、用作對流換熱的方法是在PEMFC內(nèi)設(shè)置冷卻通道。根據(jù)不同的設(shè)計要求，在電堆中每隔1只或幾只單體電池設(shè)置一組冷卻單元。冷卻單元可以由帶有冷卻流道的雙極板，即有散熱作用的雙極板，或者只含有冷卻流道的冷卻板構(gòu)成。PEMFC工作時，用泵將冷卻劑送到各冷卻通道，以對流熱交換的方式將熱量帶走。

　　常用的冷卻介質(zhì)為水和空氣，在一些情況下，也可以使用某些特殊的冷卻劑代替水或者空氣作為冷卻介質(zhì)。相對于空氣冷卻，水冷卻的方法更復(fù)雜。例如，需要對冷卻水的流量和壓力進(jìn)行檢測，對供應(yīng)冷卻水的泵進(jìn)行設(shè)計、選取等。

　　除了在電堆內(nèi)設(shè)置冷卻通道，系統(tǒng)中加裝風(fēng)機裝置等對流換熱方法外，也可采用蒸發(fā)式排熱的方法，或者使用熱分流器導(dǎo)熱的方法，先把熱量從電堆內(nèi)導(dǎo)出，然后再通過對流換熱將這部分熱量有效地移出。

　　1.3熱量的綜合利用

　　綜合利用PEMFC產(chǎn)生的電能和熱能的熱電聯(lián)供系統(tǒng)PEMFC-CHP，不但能同時滿足用戶對電力和熱能的需要，還能使系統(tǒng)的綜合能量利用效率和綜合熱效率提高，使能源得到合理、優(yōu)化的利用。

　　由于能較好地滿足住宅電-熱能耗需求，住宅用PEMFC-CHP系統(tǒng)目前已成為研究的熱點。

　　M.F.Torchio等通過統(tǒng)計學(xué)方法，實驗研究了800WPEMFC-CHP系統(tǒng)，并就陰、陽極流體入口溫度等重要操作參數(shù)對系統(tǒng)電-熱能輸出性能的影響進(jìn)行了探討。

　　P.Konig等對2kWPEMFC-CHP系統(tǒng)在不同電-熱負(fù)荷下穩(wěn)定運行的性能及動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了測試。D.D.Massie等利用安裝于不同地點的住宅用5kWPEMFC-CHP系統(tǒng)，重點研究了余熱循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計，燃料的供應(yīng)及系統(tǒng)各個部件之間的協(xié)調(diào)與配合。G.M.Burak等建立數(shù)學(xué)模型，從能源、環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益等3個方面綜合評估了PEMFC-CHP系統(tǒng)。

　　PEMFC-CHP系統(tǒng)中，電能與熱能分系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運作，以及各輔助系統(tǒng)的有效集成，對于商業(yè)化、實用化起著關(guān)鍵性的作用。除PEMFC外，還集成了熱交換器、汽水分離器等輔助設(shè)備，它們對于熱量的回收利用以及過量燃料和氧化劑反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物的循環(huán)利用起著重要的作用，因此，相當(dāng)?shù)膶嶒灮蚰M工作針對PEMFC-CHP系統(tǒng)中的輔助部件展開。例如，G.C.Whitney對不同補燃器輔助系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了研究。PEMFC-CHP系統(tǒng)的發(fā)展處于研究示范階段，其研究涵蓋了系統(tǒng)電-熱性能及其影響因素，如輔助系統(tǒng)、系統(tǒng)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益等方面。

　　2熱管理的數(shù)值模擬

　　為了探索PEMFC中的傳熱、傳質(zhì)和電極動力學(xué)過程，并進(jìn)一步研究操作條件，電池的幾何結(jié)構(gòu)等因素對其性能的影響，數(shù)值模擬的方法正廣泛用于PEMFC的理論描述和研究。

　　2.1一維熱管理模型

　　一維熱管理模型主要用于研究電池內(nèi)部垂直膜方向或者沿流道方向的質(zhì)量和熱量的傳遞。M.Wohr等發(fā)展的垂直膜方向的一維熱管理模型，研究了單電池數(shù)量對PEMFC電堆中垂直膜方向的溫度分布的影響。A.Rowe等提出了垂直膜方向的一維PEMFC熱管理模型，研究了電池在不同的操作電流密度以及電極的熱導(dǎo)率下，垂直膜方向的溫度分布；進(jìn)而分析設(shè)計和運行工況對電池性能、熱響應(yīng)和水管理的影響。

　　2.2準(zhǔn)二維、二維熱管理模型

　　除一維熱管理模型以外，眾多準(zhǔn)二維、二維模型也應(yīng)運而生。準(zhǔn)二維模型通常由一維沿流道的模型和一維垂直膜方向的模型耦合得到，能相對簡單的模擬平面內(nèi)的傳熱、傳質(zhì)情況。

　　T.F.Fuller等針對膜電極組件提出了一個穩(wěn)態(tài)的準(zhǔn)二維數(shù)學(xué)模型，用以研究燃料PEMFC的水熱管理及燃料利用率。K.Dannenberg等建立的PEMFC準(zhǔn)二維傳熱和傳質(zhì)模型可用來計算電池的電壓-電流密度性能、膜中歐姆電阻和水的分布、氣體流道中的電流分布和溫度變化。

　　T.V.Nguyen等發(fā)展的用于PEMFC的二維穩(wěn)態(tài)、熱管理和傳質(zhì)模型，可研究濕潤條件對電池性能的影響。

　　2.3準(zhǔn)三維、三維熱管理模型

　　一、二維數(shù)學(xué)模型對于小的單體電池有效，但對大規(guī)模電池的可用性有限，準(zhǔn)三維、三維PEMFC數(shù)學(xué)模型才發(fā)展起來。

　　P.Costamagna建立的準(zhǔn)三維及S.Shimpalee等發(fā)展的三維PEMFC熱管理模型，沒有對熱源項進(jìn)行局部模擬，而只是將局部熱源項合并，總體考慮；而G.Maggio等建立的三維模型，則忽略了沿流道方向的溫度梯度的變化，電池內(nèi)總的熱源項簡化用(U0-Vcell)I表征。在T.Zhou等發(fā)展的三維熱管理模型中，熱源項忽略了反應(yīng)焓熱項，但是依據(jù)H.Ju等的模擬結(jié)果，忽略的這部分熱量占電池工作時所產(chǎn)生的全部熱量的35%左右。利用反映PEMFC三維非等溫特性的全電池模型，可得到較為精確的反應(yīng)物濃度、操作電流密度、溫度和水分的三維分布。

　　3結(jié)論

　　PEMFC內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的同時，伴隨著工質(zhì)熱量和質(zhì)量的傳遞，該熱質(zhì)耦合傳遞過程對燃料電池的熱管理、水管理均有顯著的影響。

　　PEMFC-CHP技術(shù)是一種先進(jìn)的供能技術(shù)，能實現(xiàn)能量的梯級綜合利用，無污染，效率較高，且效率不受負(fù)載情況的影響，是未來燃料電池綜合利用熱量的良策之一。

　　隨著計算機模擬技術(shù)的迅速發(fā)展，PEMFC熱管理的數(shù)值模擬將向全面描述PEMFC內(nèi)電化學(xué)過程、三維非等溫的工質(zhì)擴散和能量傳輸過程的方向發(fā)展。利用數(shù)值模擬的方法，能全面研究PEMFC及其系統(tǒng)內(nèi)的流動情況、組分分布、溫度分布、電動勢及電流密度的分布；預(yù)估電堆中各組成部件的溫度變化和系統(tǒng)的熱性能。利用PEMFC熱管理數(shù)值模擬，還能考察系統(tǒng)中泵、換熱器、冷凝器和儲料罐等輔助設(shè)備的配置，為PEMFC-CHP系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)；為提高PEMFC系統(tǒng)的體積密度和質(zhì)量密度，并最終實現(xiàn)PEMFC系統(tǒng)的商業(yè)化、實用化奠定良好的理論基礎(chǔ)。