车用质子交换膜燃料电池发动机的水管理和热管理方法

车用质子交换膜燃料电池发动机的水管理和热管理方法

车用质子交换膜燃料电池发动机的水管理和热管理方法
质子交换膜燃料电池（PEMFC）除具有燃料电池一般特点之外，还具有低温启动快、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率和比能量高等突出优点，能够取代现有的汽车发动机作为动力源。
图1 是一个燃料电池发动机系统的示意图。燃料供给设备一般为氢罐，进入阳极前先加湿及加热；空气供给设备（空压机或风机）向电池提供环境中的空气，进入阴极前也须调节状态；散热器排出冷却液从电池堆带出的热量。
目前影响PEMFC 技术实用化的一个重要问题是热量和水的管理。燃料电池内部热平衡与水平衡紧密相联、互相影响，对燃料电池组的功率提升、燃料效率最佳化、燃料电池的寿命和运行安全起着关键作用。
燃料电池发动机系统的水和热的管理是相辅相成的，按照不同的回路，对电池反应循环内水的管理和对电池需要排出热的管理加以了区分，希望对燃料电池动力系统的分析和计算提供一个新颖而有效的方法。

一、水管理
在PEMFC 中，质子交换膜需要保持一定的湿润度才能保持质子的高传导性和良好的运行特性，过干会使质子交换膜失去传导质子的能力，电池堆中水量过多也会影响电池堆性能，造成电极水淹等问题。Ballard 和TAMU 等公司对PEMFC 的水管理进行了深入研究，提出了实热设计 https://www.resheji.com
现有效水管理的多种途径：（1）膜电极和电池结构的优化设计；（2）对PEMFC 的运行参数进行综合调整；（3）选择合适的质子交换膜和碳布（纸）。当燃料电池选定后，一般就通过对该系统的参数进行自动控制的方式来进行管理。水管理的内容包括反应气加湿、质子交换膜内水传递的控制和电池排水。
1．反应气加湿
为了使燃料电池稳定、高功率运转，质子交换膜应保持湿润状态，维持质子通道并减小内阻，质子通道与外电路构成了回路。膜的电导率强烈地依赖于膜中水含量，所以控制适当的水分布对提高膜电导率具有十分重要的意义。水管理对于改善膜中水分布，提高PEM 燃料电池的性能至关重要。因此要使燃料电池正常发电，加湿系统就显得相当重要。目前的电池加湿方法可以分为3 类：（1）外部加湿法。包括简单外增湿法、直接液态水湿化法、渗透膜增湿器；（2）内部加湿法。包括渗透膜法、多孔碳板法；（3）自加湿法。包括压力迁移法、体流场改进法、Pt-PEM 膜自增湿法。目前，普遍采用膜加湿器对电池堆进行加湿。一般计算时按照进口湿度为100%，但实际均达不到。
2．质子交换膜内水传递的控制
对质子交换膜内水传递的控制主要通过对反应气的流量与压力施加影响来实现。