能源與環境是目前人類社會面臨的主要挑戰，清潔能源高效利用技術是實現人類社會可持續發展的重要保障，其中，氫燃料電池特別是質子交換膜燃料電池(PEMFC)因其具有高效環保等特點備受青睞。PEMFC在發電過程中產生大量的熱，產熱與散熱的平衡決定電池的溫度，電池對溫度的要求很苛刻，只允許稍微偏離設計點的溫度，因此，通過熱管理將電池的溫度均勻地控制在設計點溫度附近非常重要。本文從產熱、傳熱和熱管理策略(冷卻策略、余熱利用、控制策略)等方面綜述PEMFC的熱管理問題，重點介紹PEMFC組件在導熱系數和冷卻策略方面的研究現狀，并提出了需要進一步研究的問題。

 

隨著能源與環境問題的日益嚴重，清潔能源技術受到了世界各國的關注與重視。氫燃料電池特別是質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有能源轉換效率高、排放無污染、燃料來源廣、操作溫度低和啟停迅速等特點，可應用在交通運輸、便攜式發電、固定電站等領域。PEMFC 的結構組成從其中心至兩側分別為質子交換膜、催化劑層(CL)、微孔層(MPL)、氣體擴散層(GDL)、雙極板(BPP)等(如圖1所示)，發電的原理很簡單，氫氣在陽極失去電子被氧化，氧氣在陰極與穿過質子交換膜而來的氫離子以及外電路傳輸而來的電子結合生成水，并放出大量的熱，如何處理好這部分熱，是PEMFC 商業化的最重要問題之一。PEMFC 的能量轉換效率為50%左右，意味著有50%的能量以熱能形式釋放出來，若散熱效果不好，則會造成最高溫度超過膜的設計點溫度(常用的Nafion 膜最高耐受溫度為80 ℃)以及溫度不均勻，而溫度分布會影響氣體的供應、電化學反應、質子交換膜的傳輸特性以及水管理，對PEMFC的總效率與穩定性造成影響。所以，PEMFC 中熱管理的主要目的是確保電堆在可靠高效的溫度附近運行，并保證內部溫度的均勻分布，避免產生局部高溫。本文作者綜述了近年來PEMFC 中熱管理問題的研究進展。

 

1、溫度對PEMFC電堆性能的影響

 

 

圖1 PEMFC運行過程中不同組件的溫度分布、產熱和熱性能

 

熱管理問題之所以重要，就在于它深刻地影響著PEMFC 電堆的效率與穩定性。許多學者對PEMFC電堆性能的影響因素(運行溫度、入口氣體的溫濕度、流量與電池冷卻條件等)進行了研究。YU認為入口氣體溫度的影響大于濕度的影響，入口氣體溫度與電堆最佳工作溫度的溫差越大，電堆的性能越低，這意味著可以通過預熱入口氣體來提高電池性能。另外，電池溫度、電壓、反應氣體的流量之間的交互作用對電池性能有顯著影響，這說明操作參數對電池性能的影響并不是獨立的，其中，交互作用也需要考慮在內。PANDIYAN 等發現電極的內阻會隨溫度的升高而升高，所以，可以通過優化電極的生產工藝來降低電極內阻，從而獲得更高的電效率。

 

除此之外，溫度升高可增大膜的電導率、交換電流密度、催化劑的催化活性且有利于氣體擴散，從而提高電池的性能。但是過高的溫度和電流密度容易造成陽極側膜脫水，這與膜內的電滲透效應有關，過高的電流密度還會造成電池內溫度分布不均勻，而局部高溫是許多降解機制的驅動力，如濕熱變形、蠕變、鉑溶解和雙極板腐蝕。這些都表明電池的溫度會極大地影響電池的性能，所以，需要對電池內的產熱與傳熱有更深入的認識。

 

2 、PEMFC的產熱與傳熱

 

2.1、產熱

 

PEMFC 的能量轉換效率為50%左右，這意味著一半的化學能以熱能的形式釋放出來，電池中的產熱包括化學反應熵熱、電化學反應不可逆熱、焦耳熱、冷凝熱以及反應氣體顯熱(可忽略)。一般情況下，熵熱、不可逆反應熱和焦耳熱的總和相當于質子交換膜燃料電池的輸出功率，粗略計算，它們分別占總放熱量的55%，35%和10%。

 

在某些情況下，水的相變在加濕電堆的熱平衡分析中也是不可忽視的。LIU 等通過分析PEMFC 電堆加濕后水的相變對熱平衡的影響，發現在冷卻水帶走的熱量中，水蒸氣冷凝放出的熱量占30%——40%。

 

2.2、傳熱

 

如果不能及時散熱，電池的溫度會升高，水蒸氣的飽和壓力上升，極有可能發生膜脫水和降解等現象，這極大地損壞了膜性能，降低了電池發電效率，所以，需要詳細地了解電池的傳熱特性，從而選擇合適方式進行散熱。PEMFC 內的散熱方式主要為導熱與對流換熱(見圖1)，由于GDL的孔徑小于100 μm，沒有形成強烈的對流，所以，其內部對流換熱一般可忽略。導熱系數是材料的固有性質。在PEMFC中，一旦幾何形狀與熱源被確定，電池內的溫度分布就將由導熱系數決定，所以，PEMFC組件的導熱系數受到了廣泛研究。

 

電解質膜與雙極板的結構比較簡單，其導熱系數能被很精確地測量(見圖1)。但GDL和MPL結構復雜，學者們對它們的有效導熱系數進行了大量研究。CL 是由催化劑組分、疏水物質和電解質離聚體組成的三維多孔結構，是膜電極中最活躍的一層，為電子、質子、反應物和產物的傳輸提供了途徑，同時促進了電化學反應的進行。CL的結構不像GDL 和MPL 那樣復雜，它的導熱系數幾乎不受壓縮、測量方法和基材的影響，為0.22 W·m−1·K−1左右。

 

2.3、與水管理的耦合

 

PEMFC 中的質子交換膜(這里主要指Nafion膜)對水含量有著近乎苛刻的要求，若水含量小，則容易使膜的離子電導率下降，因為氫離子在膜中的傳導需要以水分子作為介質，這意味著水分子會隨著氫離子的傳導從陽極一起運輸到陰極，這種現象稱為電滲透效應。電滲透效應會導致陽極比陰極更容易缺水，往往需要給反應氣體加濕，以保持膜充足的水含量，但是，如果加濕過度又會造成陰極積水現象，因為水會在陰極產生，加上電滲透效應運輸過來的水分，非常容易使陰極被液態水淹沒，阻礙氧氣在陰極的傳輸與反應，最終導致電池性能降低。所以，PEMFC 的水管理與熱管理一樣是PEMFC 商業化最重要的問題之一。

 

在PEMFC 中水分的傳輸與熱量的傳輸通常是耦合在一起的，這表現在：水蒸氣飽和壓力隨溫度呈指數增長，這意味著高溫時膜更容易脫水；水蒸發和冷凝的過程分別伴隨著潛熱的吸收和釋放；由于熱管效應(溫度梯度引起水的相變和凈傳質)，水和熱傳輸同時發生。

 

3、氣體擴散層與微孔層的導熱系數

 

仿真是研究PEMFC 熱管理問題的常用手段，仿真精確度會受到物性參數精確度的影響。目前人們對雙極板、催化層、質子交換膜的導熱系數進行了深入研究，但由于GDL與MPL內部結構比較復雜，對于它們的有效導熱系數的研究還存在一些問題，所以有必要對它們進行更多研究。

 

3.1、氣體擴散層(GDL)

 

GDL 是PEMFC 中一種重要的纖維多孔介質，它管理著電子、熱量以及流體的傳輸。由于GDL 是各向異性的多孔介質，其有效導熱系數分為面內有效導熱系數和通面有效導熱系數，一般用通面有效導熱系數(keff)來表征它的導熱能力。在室溫條件下，ELAT GDL 的keff 為0.2 W·m−1·K−1，Sigracet GDL的keff為0.3——0.4 W·m−1·K−1，Toray GDL的keff為0.3——0.8 W·m−1·K−1。

 

keff的研究可分為實驗測量和模型預測兩部分，keff的實驗測量分為原位與非原位測量。原位測量是指通過測量運行中PEMFC內部的溫度分布得到keff，這種方法由于需要插入熱電偶而對電池造成不可避免的干擾，影響測量精度。非原位測量技術有測量瞬態導熱系數的激光閃光輻射測量技術和測量穩態導熱系數的可壓縮熱流法，此外，還有最近才用于keff非原位測量的光纖布拉格光柵傳感技術等，其中熱流法因其測量精度高、適用性廣得到了普遍使用。

 

3.1.1、實驗測量

 

理論上，GDL 的keff應該是固體纖維與孔隙內流體導熱系數的簡單函數，但由于GDL 復雜的、各向異性的微觀結構，以及其內部涉及的多相物質運輸，使得模型對GDL的keff的預測存在一定的局限性，同時，keff的原位測定也變得很困難，學者們大多研究某幾個因素對keff的影響，這些因素包括壓縮率、含水量、聚四氟乙烯(PTFE)含量、溫度、非均勻孔隙度等。

 

CHEN等采用光纖布拉格光柵傳感技術研究了PTFE 含量以及壓縮率對keff 的影響，發現當PTFE 含量較高時，keff會隨著壓縮率的增大而減小，當PTFE含量較低時，keff會隨著壓縮率的增大而增大。這是因為壓縮GDL時過多的PTFE會減少碳纖維之間的接觸面，從而使keff減少，他們認為對于特定含量的PTFE，存在一個與之對應的壓縮率，使得keff最大。通過測量GDL的孔中氫氣、空氣、氬氣時的導熱系數，BOCK等[30]得出通氫氣的GDL 導熱系數會比通空氣的高15%——20%，這是氫氣的導熱系數比空氣的導熱系數高7 倍造成的結果。通過仿真研究膜電解質組件(MEA)的溫度分布，發現由于陽極GDL 內氣體的導熱系數發生了改變，通過MEA的溫度分布發生了較大改變(2 ℃左右)。在微米級的GDL厚度下，2 ℃意味著溫度梯度非常大，因此，在對PEMFC建立熱模型時，需要考慮通入氣體的導熱系數，以免得出錯誤的結果。

 

3.1.2、模型預測

 

模型可分為仿真模型與解析模型，仿真模型可用來研究實驗測量中難以操作的問題，解析模型可用于研究相關因素對GDL 導熱系數的影響。導熱系數可以用單一的解析關聯式來估計，但不能準確地表示。

 

YABLECKI等采用格子玻爾茲曼方法仿真研究了含水量對keff的影響，認為keff會隨著液態水飽和度的增加而增加，因為液態水的導熱系數較高。SADEGHI等對PEMFC建立了1個GDL的簡化幾何(見圖2)與傳熱模型，用于預測GDL的keff。他們通過與其他文獻中的實驗結果對比驗證了模型的合理性，然后用該模型預測了GDL 中幾何參數與操作參數對keff的影響，預測結果表明keff與碳纖維之間的堆疊角θ成反比，與雙極板對GDL的壓力、模型基礎單元的縱橫比(w/l=1 時keff最大)成正比，還發現碳纖維的直徑d與操作溫度對keff的影響比較小。SADEGHIFAR 等以此模型為基礎，研究了14 個GDL 與微孔層(MPL)在不同壓縮條件下的通面導熱系數，認為GDL 中加入PTFE 或者MPL 都會增加接觸熱阻從而降低keff。YABLECKI 等提出了一種確定keff的解析模型，熱模型只考慮碳纖維接觸點處的熱收縮與擴散熱阻，其輸入信息是由X 線計算機斷層成像實驗提供的，并利用該模型研究了非均勻孔隙率分布、GDL 壓縮率和聚四氟乙烯含量對4 種東麗碳紙的keff的影響，得出keff與孔隙率成反比例關系以及keff 會隨著雙極板對GDL 的壓力增加而增加，但當孔隙率不變時，增加GDL 的厚度可以增加keff。AZIZAN等在前人的基礎上提出了一種修正后的分形方程，利用掃描電子顯微鏡的圖片確定GDL 多孔介質中的彎曲和孔隙分形維數，從而可以得到與實驗值吻合較好的keff，為GDL 中的導熱系數確定提供了一種新的思路。

 

 

圖2 GDL幾何模型的正視圖和俯視圖

 

3.1.3、面內有效導熱系數

 

面內有效導熱系數受到壓縮、溫度、PTFE 含量、MPL 涂層和纖維方向等多種因素的影響，是通面有效導熱系數的5——10 倍(取決于壓實壓力)。

 

3.2、微孔層(MPL)

 

PEMFC中往往會在GDL與催化層之間再加上一層MPL。MPL由炭黑粉末和疏水劑(PTFE)組成，可以防止GDL 中的液態水回流，又可以促使陰極生成的水蒸氣進入GDL 中，對水熱管理非常重要。雖然MPL本身會增加電池中的熱阻，但是它的存在會使電池中的溫度分布更加均勻，改善了PEMFC 的熱管理。這是因為GDL 與CL 之間的接觸熱阻占GDL 熱阻的40%，而MPL 由于具有較高的接觸表面積，大大降低了這種接觸熱阻，從而改善了電池的傳熱。BURHEIM 等研究了PTFE 含量與壓力對MPL 有效導熱系數的影響，發現當壓力從400 kPa變化到1 600 kPa時，導熱系數 從0.05 W·m−1·K−1 增加到0.12 W·m−1·K−1，但 與PTFE的含量關系不大。

 

3.3、GDL-MPL復合區

 

GDL 與MPL 通常被視為單獨的層。然而，在2種不同材料的融合處存在相當大的界面區域，是由MPL 侵入GDL 形成的GDL-MPL 復合區。此區域的屬性與其組成的任一材質都不同。表1所示為GDL-MPL 復合區域的研究進展，表明其對PEMFC 內部的傳熱有影響，但影響程度還有待進一步研究。

 

4、PEMFC的熱管理策略

 

為了保證PEMFC 的高效運行，除了電池本身外還需要一些配套系統，一般分為氧化劑子系統、燃料子系統、冷卻子系統、電氣子系統以及控制子系統共5個配套系統。

 

4.1、常用的冷卻方式

 

PEMFC一般工作溫度為80 ℃左右，與環境的溫差比較小，同時，電池本身的輻射以及自由對流換熱量很小，所以，PEMFC 電堆中產生的熱主要通過冷卻介質帶走。冷卻介質的流動需要耗費泵功率，該功率需要盡可能地小，必須在優化傳熱的同時將泵功率最小化，使系統功率最。常用的冷卻方式有空氣冷卻、散熱器冷卻、相變冷卻和液體冷卻等，可以根據電池功率等技術和經濟指標來選擇合適的冷卻方式，如圖3所示。

 

 

表1 GDL-MPL復合區域的研究進展

 

 

圖3 PEMFC的冷卻方式與功率水平的關系

 

4.1.1、空氣冷卻

 

對于小功率(<100 W)的電堆，可通過增加陰極送風來實現冷卻。這種冷卻方法的優點之一是結構簡單，缺點是與陽極側相比，電堆的陰極側需要相對較大的流場尺寸，因此，增加了電堆的體積。這種冷卻方法沒有足夠的溫度控制，冷卻在很大程度上取決于環境空氣的溫度和濕度。

 

財務部門工作人員主要負責會計核算，如對應收賬款的確認和計量、分析應收賬款賬齡、核銷已發生的壞賬、確認最終應收賬款賬面余額等，當發現長賬齡欠款時及時提醒并協助銷售人員追收欠款。可以看到，財務部門更多的是關注事后管理，即在應收賬款產生之后對應收賬款賬面的單純計量，這種管理具有嚴重的滯后性，無法起到防止和控制的作用。

 

4.1.2、散熱器冷卻

 

散熱器冷卻又稱被動冷卻或邊緣冷卻，利用散熱器(高導熱材料或熱管)通過熱傳導的方式將熱量從中心區域移至PEMFC的邊緣，然后排放到大氣中。與液體冷卻相比，散熱器冷卻可降低冷卻系統的復雜性，提高系統的可靠性。

 

高導熱材料散熱器冷卻的缺點是散熱量小，要求散熱器具有很高的導熱系數。散熱器的材料一般為石墨基材料，因為石墨的導熱系數高，密度低。WEN 等對PEMFC 中熱解石墨片(PGS)的熱性能進行了實驗研究，PGS 有效降低了電池內部的溫度，提高了傳熱速率，在有PGS 的電池中，溫度分布也比沒有PGS 的電池中的溫度分布更均勻。WEN 等發現PGS 的加入使電堆的最大功率提高了15%以上，顯著改善了電堆的性能，緩解了低陰極流量下的積水問題。

 

另一種散熱器是熱管。熱管具有非常高的導熱系數，液體在蒸發段蒸發，將熱量帶到冷凝段排出，再通過毛細作用等回流到蒸發段。熱管的特點有對重力不敏感、可在不增加功率輸入的情況下進行長距離傳熱、端與端之間的溫降小、設計制造簡單等。根據燃料電池功耗，可采用不同類型的熱管(微型熱管(1——100 W)、環路熱管、脈動熱管、吸附式熱管(100——1 000 W)等)。采用仿真方法可以對U 型脈動熱管內的對流和沸騰換熱速率進行研究，該熱管的兩端為蒸發器，中間部分為冷凝器，ARABNEJAD等發現隨著蒸發器溫度的升高，管內對流沸騰換熱速率也隨之增大。VASILIEV 等提出了一種帶多孔涂層微通道的微型被動式直接甲醇燃料電池(DMFC)冷卻系統，利用熱管效應強化了系統的冷卻，冷卻介質為丙烷。模擬結果表明該冷卻系統的換熱量是熱虹吸式沸騰冷卻系統的換熱量7——8倍。

 

4.1.3、相變冷卻

 

目前大型的PEMFC 電堆多采用液體冷卻，與之相比，相變冷卻有許多特點，如降低冷卻劑流量、簡化系統布局和取消冷卻劑泵等。液體冷卻利用的是液體的顯熱變化，而相變冷卻利用的是冷卻劑的相變潛熱，大大提高了系統的散熱能力，所以，只需少量的冷卻劑即可滿足散熱的要求。相變冷卻有蒸發冷卻與沸騰冷卻2種方式。

 

蒸發冷卻要求冷卻劑(常用水)的沸騰溫度高于PEMFC 電堆的溫度，這是為了使冷卻劑在需要的地方蒸發而不是提前蒸發。由于液體的蒸發，兩相傳熱具有比單相傳熱明顯更高的散熱能力，采用該方式可減小冷卻系統的尺寸。蒸發冷卻通過陽極氣流將冷卻介質輸送到燃料電池，通過膜傳輸(電滲透效應)，然后蒸發到陰極氣流中，這樣可在不對PEM 燃料電池的性能造成不利影響的情況下冷卻PEMFC。由于質子交換膜燃料電池的工作溫度在60——80 ℃之間，常用水作為冷卻劑工質，但水需要被很好地霧化，這與陽極氣體加濕有很大的區別，因為只有霧化水才能在氫氣中均勻分布，水滴才能在不阻礙氫氣流動的情況下通過氣體擴散層，才不會影響電池的性能。SNYDER提出了一種超聲霧化技術，可有效提高PEMFC的整體效率。

 

在沸騰冷卻時，冷卻劑的沸騰溫度必須低于PEMFC 電堆的溫度，從而能在冷卻流場內保持沸騰，這就需要選擇合適的冷卻劑。沸騰冷卻具有很強的冷卻能力，廣泛應用于高熱流密度設備的制冷領域，如計算機芯片、激光二極管等，也可應用于質子交換膜燃料電池電堆的冷卻。與傳統液體冷卻方式類似，沸騰冷卻需設計獨立的冷卻液流道，其本質上涉及兩相流和不斷變化的流型。理想的配置將使用沸騰溫度比最佳PEM 電堆工作溫度低10——20 ℃的冷卻介質。因此，當PEM 電堆上升到其設計的工作溫度時，將有足夠的過熱用于沸騰，并導致自然驅動的流動。所以，沸騰冷卻不僅可以省去冷卻泵，而且有利于PEMFC電堆工作溫度的穩定和均勻。SOUPREMANIEN 等[68]通過實驗對單相流和沸騰流中的冷卻劑進行了比較，發現無論選擇哪種幾何形狀的冷卻流場，沸騰流的冷卻效果都比單相流的好。

 

4.1.4、液體冷卻

 

在大型的PEMFC 電堆(功率>10 kW)中的冷卻方式一般以液體冷卻為主，冷卻液常用去離子水、納米流體等，液體冷卻的效果雖好，但由于增加了循環泵與散熱器，增加了寄生功率。并且冷卻流場中液體的流動方式會影響PEMFC電堆中的溫度分布，冷卻劑的分布越均勻，溫度分布就越均勻，所以，熱管理的一個核心就在于流場的優化。流場有平行流場、蛇形流場以及高成本的仿生流場等，單條流道有C型、V型、U型和三維流道等。

 

CHEN 等對蛇形流場和平行流場進行了比較，得出采用蛇形流場可獲得更好的冷卻性能。圖4所示為2 種典型的冷卻流場。GHASEMI 等對6 種帶蛇形流場的PEMFC 進行了研究后發現常規螺旋形流場(圖4(b))具有較好的溫度分布與性能，但壓降較大，若同時要求流場的壓降不能太大，則可選擇典型蛇形流場( 圖4(a))。CASTELAIN等[76]測量了混沌幾何(V形、C形)流道和直流道等的熱性能，測量結果表明與直流道相比，混沌幾何流道的內部對流換熱系數有較大的提高。C型流道換熱增強的最多，但同時考慮換熱增強與壓力損失時V型流道最好[77]。這些優化的核心思想都是在保證PEMFC電堆中溫度分布良好的條件下，盡可能地降低寄生功率，從而提高總的能量利用效率。

 

 

圖4 2種典型的冷卻流場

 

(a)典型蛇形流場；(b)常規螺旋形

 

冷卻劑的熱物理特性對燃料電池液體冷卻方式的效率有顯著影響，除了使用去離子水作為冷卻介質外，人們發現納米流體是非常好的一種冷卻介質。由于固體的導熱系數通常高于液體的導熱系數，因此，可以通過將微小或較大尺寸的固體顆粒懸浮在流體中強化傳熱，目前的挑戰是如何研制出一種導熱系數高但電導率嚴格限制在2µS/cm以下的納米流體冷卻劑。SAROJINI等對含有不同體積分數的金屬和陶瓷顆粒(Cu，Al2O3和CuO)的納米流體的導電性進行了實驗評估，發現在水和乙二醇基納米流體中，電導率都隨著顆粒濃度的增加和顆粒粒徑的減小而增大，且只有當乙二醇的體積分數小于0.05%才能滿足電導率在2 µS/cm 以下的要求。除此之外，與基礎流體相比，Al2O3納米流體的電導率隨體積分數的增加而增加，隨溫度的升高而增加。

 

4.2、系統余熱利用

 

PEMFC 的能量轉換效率一般在50%左右，反應中一半的化學能都以熱能的形式釋放出來，若能對這些釋放出來的余熱加以利用，如用于熱電聯產系統、溫差發電系統等，則會大大提高總的能量利用效率。

 

采用熱電發電裝置可將PEMFC 排放的一部分廢熱利用起來。KWAN 等發現在余熱利用的同時可有效降低散熱器的面積。DENG等對有軌電車中的PEMFC 和基于熱電材料的余熱發電裝置(WHUS)的聯合系統進行了研究，發現熱電材料產生的電量可供給外部或者內部耗能裝置如Li 離子電池、水泵、冷卻風扇等，同時因為分流了一部分電池堆出口冷卻水用于熱電發電，還可降低風扇的冷卻壓力。但該余熱發電裝置的熱電轉化效率并不高，當電堆功率為159 kW 時，只能夠產生1.11 kW熱電功率。由于熱電材料的成本較高，將其商業化應用于PEMFC-WHUS聯合系統還有很多困難，可能隨著熱電材料的研究在成本方面取得新的突破，這種情況會有所改善。

 

4.3、控制策略

 

傳統的冷卻方法可進行有效散熱，但在響應速度、穩定性等方面還需采取控制策略來解決。良好的控制策略可幫助PEMFC電堆將運行溫度控制在一個穩定高效的區間內，從而提高電堆的壽命與能量轉化效率。

 

經典的比例、積分和微分(PID)控制器通常用于調節氫氣流量和空氣流量的反饋電壓控制和前饋電流控制。自整定PID控制器或滑模控制器適應不斷變化的動態響應，響應速度更快。自適應控制器(AC)如負載調節器和極值搜索控制器不斷更新控制動作。模型預測控制(MPC)使用PEMFC 模型來預測系統行為和更新控制器動作。近年來，人工智能如神經網絡控制(NNC)、模糊邏輯控制(FLC)和FLC-PID 控制被廣泛應用于PEMFC 系統的控制，因為它們實現起來更簡單、成本更低，不需AC 和MPC 那樣的繁重計算，且效果更好。

 

與PI 控制相比，自適應控制策略的波動小，收斂速度快，即動態響應性能更好。HUANG等發現自適應控制策略能很好地將PEMFC運行溫度控制在(343±1)K 的最佳溫度內，在冷啟動中也能使電池堆迅速地達到工作溫度并保持穩定。ZHAO等提出了水冷PEMFC系統的半經驗熱管理模型，可用于指導水冷PEMFC 控制系統的設計和優化。為了使傳感器在發生故障的情況下，仍能高精度地將PEMFC 電堆的溫度保持在參考值，YAN 等提出了一種主動容錯控制策略來解決這個問題。

 

5、熱管理問題的仿真研究

 

對PEMFC 中各組件導熱系數的研究都是為了更好地對熱管理問題進行仿真。由于仿真研究比實驗研究成本更低，操作更簡單，且可用于優化系統等，在PEMFC的熱管理研究中，大量的研究者采用了仿真與實驗相結合的方法，一般先用FLUENT，MATLAB 或COMSOL 等軟件建立模型，然后用實驗數據驗證模型的正確性，從而使模型可用于指導PEMFC的設計與優化。

 

如對于氣液兩相流模型，因為PEMFC 中的能量、物質運輸在時間和空間尺度上都存在差異，建模時，對于宏觀尺度，一般采用VOF 方法；對于介觀尺度，采用格子玻爾茲曼方法(LBM)；對于微觀尺度，采用分子動力學或量子力學方法。由于受到氣液兩相流耦合困難和計算量的限制，在建模時，考慮所有尺度上的氣液兩相流運輸是不切合實際的。只能依據一些假設和簡化來建立特定維度和尺度的模型，這些模型的預測能力也受到了限制。JIA等建立了PEMFC的動態傳熱模型，通過實驗驗證了該模型的準確性，發現當電流從2 A突變到17 A時，電堆的溫升速率會不斷減小到0。

 

仿真模型從一開始的一維模型逐漸發展為二維、三維的模型，仿真的對象也從單電池逐漸變成了電池堆系統。仿真模型通過不斷優化，變得越來越精確，但目前對仿真模型的輸入參數如PEMFC中GDL的導熱系數等物性參數還需要進行更加精準的原位測量，因為GDL 是一種各向異性的材料，使得現在許多文獻中測量的導熱系數不一致，所以，在物性測量方面還需要做更多的工作。

 

6、結論與展望

 

PEMFC的熱管理與水管理是2個核心的問題，水管理往往與熱管理耦合在一起，因為電堆的溫度分布對水分的運輸影響極大，所以，不考慮熱傳輸就無法研究電池的性能。熱管理的核心目的是將PEMFC電堆的工作溫度保持在最合適的區間內，避免出現局部高溫，從而使電池穩定高效地運行。

 

隨著PEMFC 的商業化發展，熱管理問題日益突出，以下問題有待進一步研究：

 

1)、原位精確測量電池組件的導熱系數等物性參數，關注各向異性材料(GDL等)的特性。

 

2)、深入了解PEMFC中的水熱傳輸機理與耦合效應，可通過建立專門的模型來實現。

 

3)、進一步優化冷卻流場，尋找新的納米流體冷卻介質，并優化生產工藝。

 

4)、開發合適的控制算法，建立更精確的模型，更好地研究電池堆的動態特性。