来源 | Journal of Cleaner Production
01
背景介绍
电动汽车 (EV)，包括纯电动汽车 (BEV) 和燃料电池汽车 (FCV)，被认为是汽车应用中实现零碳排放和新能源利用的有前途的解决方案。尽管 BEV 技术和市场化的持续高速发展，但 FCV 的技术发展具有强大的动力，主要是因为它们在行驶距离和充电时间方面优于BEV；在众多类型的燃料电池 (FC) 中，质子交换膜 (PEM) 燃料电池 (PEMFC) 之所以受到青睐，主要是因为它们的工作温度低（约 80 °C），可以使车辆快速启动。
PEMFC在发电的同时，会产生几乎等量的热量，这些热量需要从PEMFC中释放出来，否则可能会发生热失控。适当的升温会改善电化学反应的动力学，但过热不仅会使膜脱水，降低质子电导率，还会大大加剧膜和催化剂的降解，造成不可逆的性能损失和PEMFC的损坏。考虑到电化学反应、水平衡和气体传输，PEMFC 的合适工作温度范围在 60 °C 和 80 °C 之间。因此，热管理系统 (TMS) 对于 FCV 燃料电池堆 (FCS) 的正常运行至关重要；此外，辅助动力电池、电动机、电子元件、机舱空气和供应给 PEMFC 的压缩空气都需要合适的冷却和加热回路。为燃料电池汽车设计一个综合热管理系统（ITMS）是一个重要的问题。
与纯电动汽车和内燃机（ICE）汽车（ICEV）不同，燃料电池汽车在 ITMS 布局方面面临更严峻的挑战。由于锂离子电池的效率高于 PEMFC，BEV 释放的热量远低于 FCV。与BEV和FCV相比，ICEV的发热量最大；然而，大量的热量被 ICE 废气带走，而对于 FCV，大部分热量去除应由 PEMFC 冷却剂回路处理，因为废气和水传输的热量可以忽略不计。此外，PEMFC 的散热器和环境空气之间的可用温差远低于 ICE，因为 PEMFC 在低得多的温度下运行。所以，FCV 需要具有更大表面积的散热器来去除与 ICEV 相当的热量。这些要求增加了燃料电池汽车热管理设计的难度。
02
成果掠影
近期，中国科学院广州能源研究所蒋方明团队提出了一种采用热峰调节器的新型热管理系统。
热峰调节器是一个充满相变材料的蓄热器，分别与燃料电池冷却剂和空调进行热交换制冷剂。在热峰出现时暂时接收散热器无法释放的多余热量；稍后，当热峰消失时，热量将传递给制冷剂以将其从冷凝器中带走。基于开发的热模型的系统仿真表明，这种新型热管理系统可以消除或有效削弱燃料电池堆的热失控，这取决于填充热峰值调节器的相变材料的量。在本研究中，在标准化的新欧洲驾驶循环中，135 秒和 250 秒的热失控持续时间可以分别缩短为 0 秒和 105 秒以及 38 °C 夏季天气下的全球协调轻型测试循环，后者的最高温度可从 89 °C 降至 83 °C。这项工作可以为解决燃料电池汽车的热管理问题做出重大贡献。
研究成果以“A novel thermal management system with a heat-peak regulator for fuel cell vehicles”为题发表于《Journal of Cleaner Production》。
03
图文导读
图1 一种新型的燃料电池汽车热峰调节器集成热管理系统。
图2 “时变”热管理方法及HPR功能示意图。
图3 前部换热器的串联布置及其之间的热干扰。
图4 单个电池的电压输出（Vcell）和功率密度（Pcell = Vcelli）随电流密度(i)而变化。
图5 (a) NEDC和(b) WLTC驾驶周期中的瞬时车速(u)和运动功率（PM）。
图6 在(a) NEDC和(b) WLTC驱动周期中，基于车辆运动功率（PM）的FCS（PFCS）和LIB（PLIB）之间的瞬时功率输出分布。
图7 在(a) NEDC和(b) WLTC驱动周期中的瞬时座舱热负荷（Qcab）。
图8 在Tamb = 38℃下的(a) NEDC和(b) WLTC驱动循环中，有无HPR的FCS和机舱空气温度的时间变化。同时还绘制了FCS发热（QFCS）、客舱热负荷（Qcab）和与车速(u)叠加的PCU发热（QPCU）。
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质子交换膜燃料电池低温启动水热管理特性及优化上海汽车集团前瞻技术研究部的研究人员罗悦齐、张嵩等，在2018年第11期《电工技术学报》上撰文指出，质子交换膜燃料电池在车辆中具有较大的应用潜力。低温启动过程是指燃料电池从较低的初始温度启动，直到稳定工作状态的过程。该过程中的水热管理特性决定燃料电池的输出性能。利用数值仿真方法，建立一个一维多相流电池堆模型，研究不同条件下从10℃低温启动直到升温至80℃的过程中电池启动性能和水热管理特性。
结果表明，随着启动过程的进行，电池堆温度分布的不均匀性逐渐凸显。启动初期电压下降，主导因素是显著的电渗拖曳效应（EOD）导致阳极电阻增大。阳极氢-氧催化反应辅助启动，既可使电池堆更快达到正常工作温度，也可为阳极快速加湿，降低电阻，获得更高的输出电压。而阴极氢-氧催化反应辅助启动易导致阴极水淹，因此不利于提高低温启动过程中的水热管理性能。
质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）具有零排放、高效率、低噪声、低振动、低工作温度等优点[1]，因此在各个领域中都具有极大的应用潜力，包括交通运输、分布式发电、备用电源以及便携设备供电等[2-5]。尤其是车用PEMFC，在全球能源环境问题日趋严峻的今天，更被认为是替代内燃机作为主要能源转换装置的备选方案之一。
由于车辆必须适应在不同地区的多种环境条件下工作，因此能否应对各种环境因素的挑战并保持高效工作状态，成为了PEMFC能否在汽车中广泛应用的关键因素之一[6]。低温启动性能就是环境适应性中的重点之一。
PEMFC在工作中不断由阳极输入氢气，阴极输入空气，通过质子交换膜传递质子H+，同时通过外电路传递电子，由此发生电化学反应，输出电能[7]。PEMFC由其电化学热力学和反应动力学共同决定其正常工作温度应保持在70~90℃区间，以获得最大的工作效率[8]。
因此，PEMFC从较低温度下启动直到温度升高到正常工作温度这一阶段，其输出性能较低。如何缩短低效的启动时间以及提高启动阶段内的电池性能，是车用燃料电池应用的研究重点之一。
低温启动又分为0℃以下低温和0℃以上低温。从0℃以下低温启动，燃料电池中生成的水有很大的概率发生结冰，会导致电池性能迅速衰退。现有研究中较多关注了0℃以下低温启动的机理和性能。
K. Jiao等[9,10]通过实验研究了恒定电压及恒定电流条件下，PEMFC从0℃以下启动时的性能特性，发现在低温下，质子交换膜的含水量低，因此电导率较低，电池难以获得较高的电压输出，而随着启动过程的进行，一方面生成的水会进入膜中，提高其电导率；另一方面电池工作产生的热量使温度升高，反应活性进一步增强。
另外，一些实验通过可视化技术观测了电池低温启动过程中的水传输现象。这些技术包括透明燃料电池实验技术[11,12]、中子射线透照技术[13-16]、X射线透照技术[17,18]等。这些研究发现，PEMFC低温启动过程中的水传输与热传输的耦合作用是影响启动性能的关键因素。
通过建立燃料电池数学模型进行研究，相比于实验研究，可揭示更深层次的规律，并且便于参数化的优化设计和从机理出发进行分析测试。因此仿真模型提供了重要的研究工具[19, 20]。然而，现有的低温启动仿真研究主要集中在0℃以下启动阶段中的结冰过程[21,22]，而只有较少的研究关注了从0℃以上低温升温到正常工作温度这一过程[23]。
本研究建立一个质子交换膜燃料电池堆低温启动模型，本模型充分考虑了电池堆工作过程中的多种传热、传质、相变及电化学反应等过程的耦合作用，研究范畴是电池堆从10℃低温启动直到升温到正常工作温度80℃并达到稳定工作状态的过程。
因为：①现有研究中关注这个启动阶段的较少；②该启动过程相对于0℃以下的启动，也更符合实际应用中的绝大部分情况。因此本研究对实用的车用燃料电池系统设计有一定的参考意义。
图6 三种不同启动模式的极化曲线对比
图10 三种不同启动模式下，电池堆积比电阻随启动时间的变化
图11 三种不同启动方式下，CLc液态水饱和度随启动时间的变化
结论
本文建立的PEMFC一维电池堆多相流模型详细涵盖了电池堆工作过程中的传热、传质、相变和电化学过程。通过与相同条件下实验结果的对比，验证了模型的准确度。基于本模型研究了电池堆从低温10℃启动直到升温到正常工作温度80℃并达到稳定工作状态过程的启动性能和水热管理特性。
研究发现，电池堆低温启动过程中，内部出现显著的温度分布不均匀性，并且随着启动过程的进行，温度不均匀性也逐渐凸显。在启动初期约5s内，串联总电阻增大，电压快速下降。当阳极和阴极的膜态水含量的浓度差建立起来之后，膜态水的反扩散作用凸显出来，与EOD作用相互平衡。至此，MEA中的膜态水分布相对稳定，而电化学反应在阴极催化层生成的水也补充到MEA中。
实施阳极氢-氧催化反应，一方面可提高升温速率，使得电池堆快速达到正常工作温度；另一方面可为阳极快速加湿，降低电阻，获得更高的输出电压。然而，阴极氢-氧催化反应尽管也可提高升温速率，但不利于阴极水管理，输出性能反而有所削弱。因此，综合分析下，阳极氢-氧催化反应辅助启动是最优化的低温启动模式。
