质子交换膜燃料电池水热管理
质子交换膜燃料电池膜中气态水管理模型
１ Ｐ ＭＦ Ｅ Ｃ单 电 池膜 的水 传 输 模 型
数学 模 型在建 立 时遵循 以下 假设 ：（ ） 电池本 １ 体 的温 度分 布均 匀 ；（ ） 阴 阳极 压 力分 布均匀 且相 ２ 等 ；（ ）在 膜 的水含量 和 水通量 是 均匀 的 ；（ ）假 ３ ４ 设水 以气 态形 式存 在 ；（ ）不计 扩 散层 的厚度 ，忽 ５ 略 气体 在扩 散层 的扩 散 ；（ ）燃料 剂和 氧化剂 分别 ６
不能过 高 ． 因此 ， 比较适 合用 于控 制膜 水合 程 度 的 量 只有反应 气体 的湿 度． 为此 ，本 文考 虑 阴 阳极 压 力相 同 的情况下 ，通过控 制 反应气 体 湿度 ，尽 量提
（Ｄ 一
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要求 解式 （ ） ６ ，需要 通过 有 限单元 法进行 数值 求解 ． 因为文 中 的 目的是 要通 过模 型实施 控制 ，这
文献分别经历了一维二维和三维的研究建立了pemfc水管理的机理模型然而这些模型往往都是基于电池稳态而建立的对动态模型的研究还很少文献10只就阴极的两相水进行了简单的瞬态模拟但却忽视了一些重要的因素例如膜中水的分布情况就没有考虑11所述当膜处于完全水合状态时可以明显降低膜阻抗提高电池性能影响膜水合程度的主要因素有电池阴阳极水量的多少阴阳极压力差及负载电流密度的大小阴阳极水量又取决于反应气体的预增湿和阴极化学反应生成的水而在以上影响因素中可以加以控制的量只有反应气体的预增湿和阴阳极压差尽管随着电池阴阳极压差的增大有利于膜的水合但受电池结构和膜电极mea机械强度的制约电池阴阳极压差不能过高因此比较适合用于控制膜水合程度的量只有反应气体的湿度为此本文考虑阴阳极压力相同的情况下通过控制反应气体湿度尽量提高膜的水合程度另外为了降低阴极因传质受限引起的浓差极化必须采取相应的措施排除阴极过多的水量文中在保证阴极的反应气体流量满足负载需要的情况下适当增大和固定其流量便于带出阴极多余水保证适中的膜水合程度又能够降低扩散层水的泛滥因此本文先就控制膜中水含量进行讨论然而要对被控对象进行有效控制之前必须建立适合控制的膜水含量模型由于目前相关方面的研究未见公开的报道文献11通过matlab仿真作出了前期准备工作因此本文在已有的基础上结合上海交通大学燃料电池研究所的燃料电池测试装置上获得的实验数据进行数字测试在膜水含量控制模型的研究方面进行尝试并验证算法的合理性1pemfc单电池膜的水传输模型数学模型在建立时遵循以下假设
质子交换膜燃料电池-水热管理
质子交换膜燃料电池-水热管理介绍质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种常见的燃料电池，用于产生电力。
它们与传统的热机不同，因为它们直接将化学能转化为电能。
这令它们在某些方面比传统热机更具优势，例如在低温下就能工作和高效率。
PEMFC 中的大量反应所涉及的热和水管理至关重要。
热问题可能导致膜干燥、水解过程中的气泡和温度效率低下。
水问题可能包括水过多，水溢出，或者可能在温度低于冰点时冻结。
当我们考虑 PEMFC 的热和水管理时，我们需要考虑转移热、产生热和水下传输等问题。
在最新的 PEMFC 技术中，维持恰当的热和水平衡对于燃料电池的高效运行是至关重要的。
水管理PEMFC 的一项重要任务是管理水。
水是 PEMFC 反应的必要元素，但水过多会阻碍气体扩散，并增加电池的质量，因此需要确保水的循环和操控。
在 PEMFC 中，氢和氧进入电池，然后它们在阳极和阴极处反应，生成热，水和电。
水被产生在阴极部分，并被从电池中移走。
在传统上，这是通过实现循环冷却水的方式来处理的。
在 PEMFC 中，几种方法用于处理水。
首先，主要可以通过控制气体的含水量来处理水。
在 PEMFC 中使用含水量较低的氢气，可以保持电池中的水在一个较低的水平范围，且有助于电池中等格子中空气吸附和溶解在PEMFC 的电化学反应中。
其次，在 PEMFC 中使用的材料是设计为以水的形式存在的。
PEM 本身和电极都有水的存在形式，这可能有助于 PEMFC 稳定地运行。
最后，有一些技术利用 PEMFC 中发生的水电解来产生氧和氢气，这可能与随后的 PEMFC 反应相结合，以重新利用已经生成的水分。
热管理在 PEMFC 中热的产生来自于电化学反应和热损失。
在 PEMFC 的电化学反应中，电化学反应会产生热量，并引起 PEMFC 中的协同暖湿运动，另外 PEMFC 中还会因散热不及时而失去热量。
这些热量需要通过各种方式进行管理，以确保电池的运作。
用于处理PEMFC 中热问题的方法主要涉及质子交换膜和散热器的设计。
水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统研究
水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统研究一、内容描述本文针对水冷型质子交换膜燃料电池（PEMFC）的热管理问题展开了深入的研究。
随着化石燃料储备的日益枯竭和环境问题的加重，开发高效、环保的能源技术成为了当务之急。
作为一种高效的电化学反应能源转换设备，PEMFC在分布式发电、便携式电源系统以及汽车等众多领域具有广阔的应用前景。
PEMFC在运行过程中会产生大量的热量，若不及时有效地进行排放和控制，将严重影响电池的性能和使用寿命。
设计一款高效的水冷型PEMFC热管理系统成为了一项具有重要意义的工作。
本文通过对现有研究的综合分析，提出了一种新型的热管理策略，并通过实验验证了其有效性。
对PEMFC的热产生机理、传输特性及影响因素进行详细的分析和阐述；分析比较现有的热管理方法，如空气冷却、液体冷却和多孔介质冷却等，并指出各种方法的优缺点；基于以上分析，提出一种结合空气冷却和液体冷却的综合热管理策略，通过仿真和实验验证其性能；在实验中对比不同工况下，采用新型热管理策略前后的PEMFC的性能参数变化，以证明其优越性。
通过本文的研究，可以为PEMFC的热管理提供新的思路和方法，为其商业化应用奠定坚实的理论基础。
1.1 研究背景与意义随着全球能源结构的转型，氢能作为清洁、高效的二次能源受到了广泛关注。
氢燃料电池以其高能量密度、低污染排放和快速加氢等优势，被认为是未来交通领域最理想的替代能源之一。
在实际应用中，氢燃料电池的性能受到多种因素的影响，温度是一个关键参数。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种典型的氢燃料电池类型，其工作温度对电池性能、稳定性及功率输出具有重要影响。
开展水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统研究具有重要的意义。
本文将对水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统的设计与优化进行深入探讨，以期为提高燃料电池的性能和稳定性提供理论支持和实践指导。
1.2 国内外研究现状与发展趋势随着全球能源危机与环境问题日益严峻，燃料电池技术作为一种绿色、高效的能源转换方式受到了广泛关注。
燃料电池产业化进程中的关键一环：质子交换膜燃料电池水热管理
燃料电池产业化进程中的关键⼀环：质⼦交换膜燃料电池⽔热管理▲焦魁天津⼤学内燃机燃烧学国家重点实验室教授、博⼠⽣导师。
主要从事能源利⽤和⼯程热物理⽅⾯的研究⼯作。
近年来主持燃料电池相关项⽬30余项，包括国家优秀青年基⾦、英国皇家学会⽜顿⾼级学者基⾦、国家重点研发计划课题等国家和省部级项⽬，以及上汽、⼀汽、潍柴、捷氢、博世、新源动⼒等企业委托研发项⽬。
所开发的燃料电池仿真模型在多家企业得到成功应⽤。
担任国际期刊Energy and AI创刊副主编、中国内燃机学会燃料电池发动机分会副主任委员。
获霍英东青年教师奖、吴仲华青年学者奖等荣誉。
燃料电池是⼀种电化学能量转换装置，能够直接将化学能转化为电能。
它的⼯作过程与传统热机明显不同，不受卡诺循环的效率限制，因⽽具有能量转化效率⾼、⽆污染、低噪声等特点，是⼀种理想的能源利⽤⽅式。
在多种燃料电池中，以氢⽓为燃料的质⼦交换膜燃料电池也常称为聚合物电解质膜燃料电池(polymer electrolyte membrane fuel cell，PEMFC)，不仅具备燃料电池的⼀般优势，还具有⼯作温度低和启停响应快等特点，在未来可⼴泛应⽤于汽车动⼒源、分布式发电、⽆⼈机及军事应⽤等场景。
质⼦交换膜燃料电池是⽬前技术成熟度最⾼、应⽤最⼴泛的⼀种燃料电池。
2017 年全球质⼦交换膜燃料电池出货量为4.55 万个，占全球燃料电池总出货量的62.67%；出货容量为486.8MW，占全球燃料电池总出货容量的72.69%。
可以预见，质⼦交换膜燃料电池在国际国内都具有良好的发展前景，势必在未来全球的能源应⽤和能量转化装置等领域占据重要地位。
▲上汽集团荣威950 燃料电池轿车及其搭载的捷氢科技燃料电池系统PROME P240S。
荣威950是⽬前国内⾸款实现公告、销售和上牌的燃料电池乘⽤车，也是国内⾸款应⽤70MPa 储氢系统的燃料电池车型，续航⾥程可达430km，搭载捷氢科技燃料电池系统PROME P240S。
质子交换膜燃料电池的水热管理
质子交换膜燃料电池的水热管理
胡鸣若;朱新坚;顾安忠;石玉美
【期刊名称】《电池》
【年(卷),期】2003(033)004
【摘要】对质子交换膜(PEM)燃料电池数学模型分别以一维、两维和三维的形式讨论,得出数学模型应向三维、非等温、两相流动的方向发展,逐步发展电堆模型;将现有的加湿方法分为外部加湿法、内部加湿法、自加湿法、直接加湿膜法和其他加湿法5类,论述了各种加湿方法的原理,并对其优缺点加以评述;介绍了质子交换膜燃料电池冷却系统的一般结构和原理.
【总页数】3页(P258-260)
【作者】胡鸣若;朱新坚;顾安忠;石玉美
【作者单位】上海交通大学制冷及低温工程研究所,上海,200030;上海交通大学燃料电池研究所,上海,200030;上海交通大学制冷及低温工程研究所,上海,200030;上海交通大学制冷及低温工程研究所,上海,200030
【正文语种】中文
【中图分类】TM911.4
【相关文献】
1.质子交换膜燃料电池发动机的水热管理技术现状 [J], 彭其泽;全书海
2.质子交换膜燃料电池低温启动水热管理r特性及优化 [J], 罗悦齐;张嵩;高丽萍;俞剑峰
3.质子膜表面粗糙化对质子交换膜燃料电池膜电极性能改善研究 [J], 张熙贵;夏保佳;刘娟英;王涛;钦佩
4.质子交换膜燃料电池冷启动水热分布研究进展 [J], 翁元明;林瑞;张路;范仁杰;马建新
5.水热法制备质子交换膜燃料电池阴极Pt/C催化剂 [J], 温恒;秦怡红;李文良因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
质子交换膜燃料电池低温启动水热管理特性及优化
2018年6月电工技术学报Vol.33 No.11 第33卷第11期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jun. 2018 DOI：10.19595/ki.1000-6753.tces.170517质子交换膜燃料电池低温启动水热管理特性及优化罗悦齐张嵩高丽萍俞剑峰（上海汽车集团前瞻技术研究部上海 201804）摘要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。
关键词：质子交换膜燃料电池堆低温启动一维模型辅助启动中图分类号：TK121；TM911.4Optimization of Water and Thermal Management in Proton Exchange Membrane Fuel Cell during Low Temperature StartupLuo Yueqi Zhang Song Gao Liping Yu Jianfeng（Research & Advanced Technology Department SAIC Motor Shanghai 201804 China）Abstract Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is one of the most promising energy devices in automotive applications. Its superiorities include zero-emission, high efficiency, low noise, low vibration and low operation temperature. Low temperature startup is defined as the startup process froma relatively low temperature to normal operation temperature. This process is critical for the performanceof PEMFC in application. In this study, the water and thermal management during low temperature startup process (from 10℃ to 80℃) of a PEMFC stack was studied based on the one-dimensional modeling. It is found that the non-uniformity of temperature distributions tends to increase with time during startup.The initial voltage drop is caused by the strong electro-osmotic drag effect, which results in drying of the anode and increase of the stack resistance. Anode catalytic reaction assisted startup is favored for not only to enhance the temperature increasing rate but also to hydrate the anode catalyst layer thus benefiting the water and thermal managements simultaneously. However, cathode catalytic reaction potentially causes cathode flooding, which is unfavorable for water management in low temperature startup in PEMFC stack.Keywords：Proton exchange membrane fuel cell stack, low temperature startup, one-dimensional model, assisted startup0引言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]。
车用质子交换膜燃料电池发动机的水管理和热管理方法_胡蕴宇
上海汽车 2006104
2 热管理
燃料电池的效率一般在 50%左右 ,即燃料电 池对外输出功率和排出的热量是相等的 ,因此燃 料电池发动机排出的热量很大 ,约为内燃机排出 热量的 2～3 倍 。由于质子交换膜对温度的敏感 性 ,而且电池排热温度不高 ,因此对散热系统提出 了很高的要求 。热管理的主要任务是维持电池组 稳定工作的温度 。
燃料电池发动机通常采用的排热方式为用超 纯水做冷却液循环排热 ,热管理主要对系统参数 (如冷却液的进出口温度和流量等 )进行控制 。将 电池组工作温度控制在最佳范围内有两种方式 : 最优方式为随电池组输出功率的变化 ,改变冷却 剂流量 ,将电池组工作温度控制在预置的区间内 ; 另一种方式为固定冷却剂的流量 ,控制进出电池 组冷却剂的温差变化 。当采用后者时 ,应依据电 池组在最大输出功率时的效率 ,计算冷却剂进出 电池组的最大允许温差下冷却剂的最小流量 ,选 用的冷却剂流量应大于这一值 。为确保电池组温 度分布的均匀性 ,进出口冷却液温差一般不超过 10℃,最好为 5℃。
参考文献
1 丁刚强 ,罗志平 ,潘 牧 ,杨绍军 ,汪圣龙. 质子交换膜燃料 电池组水管理研究. 能源技术 , 2005. 1
2 唐永华 ,颜伏伍 ,侯献军 ,李小毅. 燃料电池发动机水热管 理系统设计研究. 华东电力 , 2005. 4
3 T. Markel, K. Haraldsson, K. W ipke. Thermal management characteristics for a fuel cell hybrid vehicle under realistic driving de2 mands. Fuel Cell Sem inar, 2003
3 结语
质子交换膜燃料电池热管理问题的研究进展
第52卷第1期2021年1月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.52No.1Jan.2021质子交换膜燃料电池热管理问题的研究进展侯健1，杨铮1，贺婷1，李强1，王倩2，张建胜1(1.清华大学能源与动力工程系，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京，100084；2.暨南大学能源与电力研究中心，广东珠海，519070)摘要：能源与环境是目前人类社会面临的主要挑战，清洁能源高效利用技术是实现人类社会可持续发展的重要保障，其中，氢燃料电池特别是质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其具有高效环保等特点备受青睐。
PEMFC 在发电过程中产生大量的热，产热与散热的平衡决定电池的温度，电池对温度的要求很苛刻，只允许稍微偏离设计点的温度，因此，通过热管理将电池的温度均匀地控制在设计点温度附近非常重要。
本文从产热、传热和热管理策略(冷却策略、余热利用、控制策略)等方面综述PEMFC 的热管理问题，重点介绍PEMFC 组件在导热系数和冷却策略方面的研究现状，并提出了需要进一步研究的问题。
关键词：质子交换膜燃料电池；热管理；导热系数；冷却策略中图分类号：TM911.4文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2021）01-0019-12Research progress on thermal management of proton exchangemembrane fuel cellsHOU Jian 1,YANG Zheng 1,HE Ting 1,LI Qiang 1,WANG Qian 2,ZHANG Jiansheng 1(1.Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of the Ministry of Education,Department ofEnergy and Power Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2.Energy and Electricity Research Center,Jinan University,Zhuhai 519070,China)Abstract:The balance of energy demanding and environmental protection are the main challenges of human society at present.Efficient and clean utilization of energy are the key to achieve sustainable development.Hydrogen fuel cell technology,especially proton exchange membrane fuel cell (PEMFC),is favored because of its high efficiency and environmental protection.A large amount of heat will be generated in the power generation of PEMFC.The temperature of the battery is determined by the balance of heat generation and heat dissipation.The battery is very sensitive to the temperature,which allows only a small deviation from the design temperature.Therefore,it is significant to control the temperature of the battery uniformly close to the design point throughDOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2021.01.003收稿日期：2020−09−27；修回日期：2020−12−13基金项目(Foundation item)：中国博士后科学基金资助项目(2020M680538)(Project(2020M680538)supported by the PostdoctoralScience Foundation of China)通信作者：张建胜，教授，博士生导师，从事煤气化、燃料电池研究；E-mail:**********************.cn引用格式：侯健,杨铮,贺婷,等.质子交换膜燃料电池热管理问题的研究进展[J].中南大学学报(自然科学版),2021,52(1):19−30.Citation:HOU Jian,YANG Zheng,HE Ting,et al.Research progress on thermal management of proton exchange membrane fuel cells [J].Journal of Central South University(Science and Technology),2021,52(1):19−30.第52卷中南大学学报(自然科学版)thermal management.The thermal management of PEMFC in the aspects of heat generation,heat transfer and thermal management strategies(cooling strategy,waste heat utilization,control strategy)was summarized.The research status of thermal conductivity of PEMFC modules and cooling strategies were introduced.The problems that need to be further studied were proposed.Key words:proton exchange membrane fuel cell;thermal management;thermal conductivity;cooling strategy随着能源与环境问题的日益严重，清洁能源技术受到了世界各国的关注与重视[1]。
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PEMFC 的水、热管理问题
水、热管理是PEMFC 发电系统的重要环节之一。
水管理
电堆运行时，质子交换膜需要保持一定的湿度，反应生成的水需要排除。
不同形态的水的迁移、传输、生成、凝结对电堆的稳定运行都有很大影响，这就产生了PEMFC 发电系统的水、热管理问题。
通常情况下，电堆均需使用复杂的纯水增湿辅助系统用于增湿质子交换膜，以免电极“干死”(质子交换膜传导质子能力下降，甚至损坏)；同时又必须及时将生成的水排出，以防电极“淹死”。
由于PEMFC的运行温度一般在80℃左右，此时PEMFC 的运行效能最好，因此反应气体进入电堆前需要预加热，这一过程通常与气体的加湿过程同时进行；电堆发电时产生的热量将使电堆温度升高，必须采取适当的冷却措施，以保持PEMFC电堆工作温度稳定。
这些通常用热交换器与纯水增湿装置进行调节，并用计算机进行协调控制。
热管理
冷却水箱或余热处理系统是吸收或处理PEMFC发电机运行产生的热量，保障电站环境不超温。
将PEMFC发电站的余热进行再利用，如用于工程除湿、空调、采暖或洗消等，实现电热联产联供，可大大提高燃料利用效率，具有极好的发展与应用前景。
为了确保PEMFC电堆的正常工作，通常将电堆、H2和O2处理系统、水热管理系统及相应的控制系统进行机电一体化集成，构成PEMFC发电机。
根据不同负载和环境条件，配置H2和O2存储系统、余热处理系统和电力变换系统，并进行机电一体化集成就可构成PEMFC发电站。
PEMFC的存储装置
通常，PEMFC发电站由PEMFC发电机和氢气生产与储存装置、空气供应保障系统、氢气安全监控与排放装置、冷却水罐和余热处理系统、电气系统及电站自动控制系统构成。
氢气存储装置为发电机提供氢气，其储量按负荷所需发电量确定。
氢气存储方式有气态储氢、液态储氢和固态储氢，相应的储氢材料也有多种，主要按电站所处环境条件及技术经济指标来决定。
氢气存储是建设PEMFC发电站的关键问题之一，储氢方式、储氢材料选择关系整个电站的安全性和经济性。
空气供应保障系统对地面开放空间的PEMFC应用(如PEMFC电动车)不成问题，但对地下工程或封闭空间的应用来说却是一个十分重要的问题，如何设置进气通道必须进行严格的论证。
氢气安全监控与排放装置是氢能发电站的一个特有问题，由于氢气是最轻的易燃易爆气体，氢气储存装置、输送管道、阀门管件、PEMFC电堆以及电堆运行的定时排空都可能引起氢气泄漏，为防止电站空间集聚氢气的浓度超过爆炸极限，必须实时检测、报警并进行排放消除处理。
氢气安全监控与排放消除装置由氢气敏感传感器、监控报警器及排放风机、管道和消氢器等组成，传感
器必须安装在电站空间的最高处。
电气系统根据工程整体供电方式和结构对PEMFC发电机发出电力进行处理后与电网并联运行或/和直接向负载供电，涉及潮流、开关设备、表盘和继电保护等。
采用PEMFC发电站可以实现工程应急电网的多电源分布式供电方式，因此其电气及变配电系统是一个值得深入研究的问题。
电站自动化系统是为保障PEMFC发电站正常工作、可靠运行而设置的基于计算机参数检测与协调控制的自动装置，一般应采用分布式控制系统(DCS)或现场总线控制系统(FCS)。
主要设备包括现场智能仪表或传感器、变送器，通讯总线和控制器，并提供向工程控制中心联网通讯的接口。
主要功能包括参数检测、显示、报警，历史数据存储，故障诊断，事故追忆，操作指导，控制保护输出和数据信息管理等，是PEMFC 电站信息化、智能化的核心。