李容，谢晓峰，齐亮，郭建伟

(清华大学核能与新能源技术研究院，北京100084)

　　摘要：对质子交换膜燃料电池(PEMFC)进行热量平衡计算，就热量的传递、综合利用，燃料电池热电联供技术，进行了阐述。对PEMFC热管理的数值模拟进展进行了综述，指出热管理数值模拟正逐步向三维数值模拟方向发展；完备的数值模拟将为PEMFC的热管理奠定良好的理论基础。

　　质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有工作温度低、比功率高、冷启动快、低噪音、开发投入相对较少等优点，逐渐成为燃料电池开发的热点之一。

　　基于PEMFC的实际工作效率，燃料的化学能通过PEMFC转化成的电能和热能约各占一半。热能部分主要包括电化学反应生成热、欧姆热和相变热等。随着反应的进行，PEMFC内的热量不断积累，如果不对其进行有效的管理，将导致PEMFC局部温度升高，进而危及电池的成功运行。对PEMFC运行时产生的热量进行合理分配、传递和利用，即进行有效的热管理，是使系统获得较高能量利用效率的有效方法，也是系统在较高功率密度下仍能保持较高工作效率的关键因素；对PEMFC甚至系统的运行性能、寿命和安全起着至关重要的作用。

　　1 PEMFC的热管理

　　PEMFC的热管理，就是研究电池内部热量的生成与传递，探索温度场的分布及其影响因素，通过合理的热量分配、传递和利用，促使整个电池吸放热平衡在某温度范围，温度场均匀分布，使电池高效运行，并获得高的整体能量利用效率。

　　1.2热量的排放

　　PEMFC与外界热量的传递主要通过热传导、强迫流动换热、自然对流换热及辐射换热等方式。由于PEMFC工作温度的限制，通过辐射换热传递的热量十分有限。其热量的传递主要依靠强迫流动换热及自然对流换热的方式实现。

　　PEMFC中最常见的、用作对流换热的方法是在PEMFC内设置冷却通道。根据不同的设计要求，在电堆中每隔1只或几只单体电池设置一组冷却单元。冷却单元可以由带有冷却流道的双极板，即有散热作用的双极板，或者只含有冷却流道的冷却板构成。PEMFC工作时，用泵将冷却剂送到各冷却通道，以对流热交换的方式将热量带走。

　　常用的冷却介质为水和空气，在一些情况下，也可以使用某些特殊的冷却剂代替水或者空气作为冷却介质。相对于空气冷却，水冷却的方法更复杂。例如，需要对冷却水的流量和压力进行检测，对供应冷却水的泵进行设计、选取等。

　　除了在电堆内设置冷却通道，系统中加装风机装置等对流换热方法外，也可采用蒸发式排热的方法，或者使用热分流器导热的方法，先把热量从电堆内导出，然后再通过对流换热将这部分热量有效地移出。

　　1.3热量的综合利用

　　综合利用PEMFC产生的电能和热能的热电联供系统PEMFC-CHP，不但能同时满足用户对电力和热能的需要，还能使系统的综合能量利用效率和综合热效率提高，使能源得到合理、优化的利用。

　　由于能较好地满足住宅电-热能耗需求，住宅用PEMFC-CHP系统目前已成为研究的热点。

　　M.F.Torchio等通过统计学方法，实验研究了800WPEMFC-CHP系统，并就阴、阳极流体入口温度等重要操作参数对系统电-热能输出性能的影响进行了探讨。

　　P.Konig等对2kWPEMFC-CHP系统在不同电-热负荷下稳定运行的性能及动态响应进行了测试。D.D.Massie等利用安装于不同地点的住宅用5kWPEMFC-CHP系统，重点研究了余热循环系统的设计，燃料的供应及系统各个部件之间的协调与配合。G.M.Burak等建立数学模型，从能源、环境及经济效益等3个方面综合评估了PEMFC-CHP系统。

　　PEMFC-CHP系统中，电能与热能分系统的协调运作，以及各辅助系统的有效集成，对于商业化、实用化起着关键性的作用。除PEMFC外，还集成了热交换器、汽水分离器等辅助设备，它们对于热量的回收利用以及过量燃料和氧化剂反应产生的副产物的循环利用起着重要的作用，因此，相当的实验或模拟工作针对PEMFC-CHP系统中的辅助部件展开。例如，G.C.Whitney对不同补燃器辅助系统设计进行了研究。PEMFC-CHP系统的发展处于研究示范阶段，其研究涵盖了系统电-热性能及其影响因素，如辅助系统、系统环境和经济效益等方面。

　　2热管理的数值模拟

　　为了探索PEMFC中的传热、传质和电极动力学过程，并进一步研究操作条件，电池的几何结构等因素对其性能的影响，数值模拟的方法正广泛用于PEMFC的理论描述和研究。

　　2.1一维热管理模型

　　一维热管理模型主要用于研究电池内部垂直膜方向或者沿流道方向的质量和热量的传递。M.Wohr等发展的垂直膜方向的一维热管理模型，研究了单电池数量对PEMFC电堆中垂直膜方向的温度分布的影响。A.Rowe等提出了垂直膜方向的一维PEMFC热管理模型，研究了电池在不同的操作电流密度以及电极的热导率下，垂直膜方向的温度分布；进而分析设计和运行工况对电池性能、热响应和水管理的影响。

　　2.2准二维、二维热管理模型

　　除一维热管理模型以外，众多准二维、二维模型也应运而生。准二维模型通常由一维沿流道的模型和一维垂直膜方向的模型耦合得到，能相对简单的模拟平面内的传热、传质情况。

　　T.F.Fuller等针对膜电极组件提出了一个稳态的准二维数学模型，用以研究燃料PEMFC的水热管理及燃料利用率。K.Dannenberg等建立的PEMFC准二维传热和传质模型可用来计算电池的电压-电流密度性能、膜中欧姆电阻和水的分布、气体流道中的电流分布和温度变化。

　　T.V.Nguyen等发展的用于PEMFC的二维稳态、热管理和传质模型，可研究湿润条件对电池性能的影响。

　　2.3准三维、三维热管理模型

　　一、二维数学模型对于小的单体电池有效，但对大规模电池的可用性有限，准三维、三维PEMFC数学模型才发展起来。

　　P.Costamagna建立的准三维及S.Shimpalee等发展的三维PEMFC热管理模型，没有对热源项进行局部模拟，而只是将局部热源项合并，总体考虑；而G.Maggio等建立的三维模型，则忽略了沿流道方向的温度梯度的变化，电池内总的热源项简化用(U0-Vcell)I表征。在T.Zhou等发展的三维热管理模型中，热源项忽略了反应焓热项，但是依据H.Ju等的模拟结果，忽略的这部分热量占电池工作时所产生的全部热量的35%左右。利用反映PEMFC三维非等温特性的全电池模型，可得到较为精确的反应物浓度、操作电流密度、温度和水分的三维分布。

　　3结论

　　PEMFC内发生电化学反应的同时，伴随着工质热量和质量的传递，该热质耦合传递过程对燃料电池的热管理、水管理均有显著的影响。

　　PEMFC-CHP技术是一种先进的供能技术，能实现能量的梯级综合利用，无污染，效率较高，且效率不受负载情况的影响，是未来燃料电池综合利用热量的良策之一。

　　随着计算机模拟技术的迅速发展，PEMFC热管理的数值模拟将向全面描述PEMFC内电化学过程、三维非等温的工质扩散和能量传输过程的方向发展。利用数值模拟的方法，能全面研究PEMFC及其系统内的流动情况、组分分布、温度分布、电动势及电流密度的分布；预估电堆中各组成部件的温度变化和系统的热性能。利用PEMFC热管理数值模拟，还能考察系统中泵、换热器、冷凝器和储料罐等辅助设备的配置，为PEMFC-CHP系统的设计提供理论依据；为提高PEMFC系统的体积密度和质量密度，并最终实现PEMFC系统的商业化、实用化奠定良好的理论基础。