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
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。
浅谈质子交换膜燃料电池
浅谈质子交换膜燃料电池摘要：质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种高效节能、工作稳定、环境友好的理想发电装置。
质子交换膜是PEMFC的核心组成，是一种选择透过性膜，主要起传导质子、分割氧化剂与还原剂的作用。
PEMFC用电催化剂主要为铂系电催化剂，为降低成本，提高铂的利用率和开发非铂系催化剂是今后催化剂研究的主要方向之一。
对PEMFC电极的工作原理，关键组件及电池的水管理、热管理方法等作了综述。
关键词：质子交换膜；燃料电池；电催化剂；电极燃料电池（fuel cel1）发电是继水力、火力和核能发电之后的新一代发电技术。
它是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电能的高效连续发电装置。
这种装置的基本原理是原电池反应而不涉及到燃烧，因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，理论效率可达90.5%，实际使用效率是普通内燃机效率的2~3倍。
另外它还具有燃料多样化、排气干净、噪声低、对环境污染小、可靠性及维修性好等优点。
因此，燃料电池的研究不仅为解决环境问题提供了新思路，而且为解决日益严重的能源危机问题提供了新的途径。
1 PEMFC的特点近几年来，加拿大、美国、德国等国家使PEMFC从实验室进入了使用阶段。
从20世纪70年代航天领域上的应用到今天汽车和其它方面的应用，PEMFC的研究越来越受到各国的重视，这是因为它具有以下优点：（1）高效节能。
通过氢氧化合作用，直接将化学能转化为电能，能量转化效率高达40%~50%；（2）使用固体电解质膜，可以避免电解质腐蚀；（3）环境友好，可实现零排放。
其唯一的排放物是纯净水（及水蒸气），没有污染物排放，运行噪声低，是环保型能源；（4）工作电流大[（1~4）A/cm2，0.6 V]，比功率高[（0.1~0.2）kW/kg]，比能量大；（5）可靠性高，维护方便。
PEMFC内部构造简单，无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动。
电池模块呈现自然的”积木化”结构，使得电池组的组装和维护都非常方便；也很容易实现“免维护”设计；（6）发电效率受负荷变化影响很小，非常适合于用作分散型发电装置（作为主机组），也适于用作电网的“调峰”发电机组（作为辅机组）；（7）冷启动时间短，可在数秒内实现冷启动；（8）设计简单、制造方便，体积小、重量轻，便于携带；（9）燃料的来源极其广泛。
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系统设计及水热管理研究的开题报告
质子交换膜燃料电池系统设计及水热管理研究的开题报告一、研究背景和意义随着全球能源环境问题的不断引发和日益严峻的世界能源危机，新能源的开发和利用日益受到广泛关注。
燃料电池即为其中一种新能源，具有高效、可再生、环保等特点，因此已成为重要的研究方向。
质子交换膜燃料电池是当前延伸较为广泛、研究较为深入的一种燃料电池。
质子交换膜燃料电池简单、高效、低能耗、环保，可以广泛应用于移动电力、住宅和工业等领域。
同时，质子交换膜燃料电池还具有响应快、性能高等优点，因此成为研究的热点之一。
然而，质子交换膜燃料电池还面临着一系列难题，如阴、阳极电催化剂活性低、混合气体的腐蚀、水热平衡失衡等问题。
因此，如何提高质子交换膜燃料电池的性能、降低成本等问题，成为学术界和工业界关注的重点问题。
水热管理是质子交换膜燃料电池系统设计的一个关键问题，对于燃料电池运行和耐久性都有着重要影响。
因此，对质子交换膜燃料电池系统及其水热管理进行深入研究，对提高质子交换膜燃料电池性能、降低成本、推动其产业化具有重要意义。
二、研究内容和方法1. 研究内容：本研究旨在探讨质子交换膜燃料电池系统设计及其水热管理问题。
具体内容包括：（1）质子交换膜燃料电池系统的组成及原理，探究其特点、优势和存在问题。
（2）水热管理在质子交换膜燃料电池中的作用机理及其影响因素，研究其影响因素、优化策略和成本控制。
（3）质子交换膜燃料电池系统中关键组件的设计原则、制备工艺和优化策略，研究其对系统性能的影响。
2. 研究方法：本研究主要采用理论计算和实验研究相结合的方式。
具体方法包括：（1）基于传热学、流体动力学和电化学等领域的理论模型，建立质子交换膜燃料电池系统模型，探究其特性及性能。
（2）借助计算机模拟和数值方法，进行电化学反应动力学及热力学特性的计算和分析。
（3）搭建质子交换膜燃料电池实验系统，进行关键组件的制备工艺和性能测试，对水热管理策略进行验证和优化。
三、研究预期结果本研究预期取得以下成果：（1）建立质子交换膜燃料电池系统模型，分析其性能特点。
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
1水热管理是什么
水热管理是指控制燃料电池的水分子在燃料电池的反应器中的运动和移动的过程，以维持燃料电池的电压，发挥出最大的电力输出性能。
2阴离子交换膜燃料电池
阴离子交换膜燃料电池（PEM燃料电池）是一种被广泛应用于车用发动机和携带电池组的新型燃料电池类型，它是一种将常规碱性电解液替换为凝胶式液体电解液，可以在形状变形的一端加以固定的燃料电池。
它具有质量轻、反应速度快、体积小、安全性高等特点，是当前发展趋势较为先进的燃料电池技术形式。
3阴离子交换膜燃料电池的水热管理
由于阴离子交换膜燃料电池需要调整液体环境和气体环境，因此需要注意水热管理。
对于阴离子交换膜燃料电池的水热管理，首先要注意燃料电池的湿热平衡。
燃料电池的湿热平衡是十分重要的，可以避免水蒸气在燃料电池的电极上凝结，从而降低燃料电池的效率和功率输出。
另外，阴离子交换膜燃料电池的水热管理还要注意液体电解液的温控管理。
正常情况下，液体电解液的温度需要落在50-80摄氏度之间，如果温度过高，电解液中的水分子会处于活跃状态，增加水分子
流失，从而影响电池工作的稳定性，因此，液体电解液的温度必须保持在一个稳定的范围内。
4阴离子交换膜燃料电池的水热管理对于电池效率非常重要水热管理对于阴离子交换膜燃料电池的效率非常重要，它的正确的维护有助于电池的有效运行。
湿热平衡可以避免电极上的水结晶，而正确控制液体电解液的温度，可以排除外部热量的影响，这有利于电池的稳定输出，提高电池的效率。
因此，阴离子交换膜燃料电池的水热管理非常重要，它可以确保燃料电池发挥出最大的效能，提高电池效率，满足后续应用中的潜在需求。
质子交换膜燃料电池水管理动态模型研究
质子交换膜燃料电池水管理动态模型研究质子交换膜燃料电池水管理动态模型研究是一项重要的研究内容，它能够有效地避免燃料电池因水平衡不良而出现的问题。
本文旨在分析质子交换膜燃料电池水管理动态模型，以便更好地理解燃料电池的水平衡机制。
首先，质子交换膜燃料电池水管理动态模型可以用来描述燃料电池中水分子的运动。
主要包括三个部分：质子交换膜、电解质浓度梯度和水分子之间的相互作用。
质子交换膜是燃料电池中最重要的部分，它具有良好的透析性能，能够将氢离子和氧离子向对极传输，从而实现充电和放电反应。
电解质浓度梯度是指燃料电池中不同位置处的电解质浓度差异，这种差异可以促使水分子在燃料电池中运动。
水分子之间的相互作用是指水分子在运动过程中所产生的相互作用力，它可以影响水分子的流动方向和速度。
其次，质子交换膜燃料电池水管理动态模型可以用来推导燃料电池的水平衡机制。
水平衡是指燃料电池中的水分子流动的方向和速度是否处于平衡状态，即水分子在燃料电池中是否能够得到正确地控制。
为了实现水平衡，燃料电池中的电解质浓度梯度必须达到一定的大小，同时质子交换膜必须有足够的透析性能。
此外，燃料电池中的水分子之间也必须有足够的相互作用力，这样才能保证水分子运动的方向和速度得到恰当的控制。
最后，质子交换膜燃料电池水管理动态模型也可以用来分析燃料电池的热力学特性。
热力学特性是指燃料电池中温度和电势的变化情况，它可以反映出燃料电池的运行状态。
模型可以用来推导燃料电池中水分子流动的方向和速度，从而估算出水分子的总量、温度及其他参数。
这些参数可以反映出燃料电池的热力学特性，从而对燃料电池的运行状态进行分析。
总之，质子交换膜燃料电池水管理动态模型可以用来描述燃料电池中水分子的运动，推导燃料电池的水平衡机制，以及分析燃料电池的热力学特性。
它是燃料电池发展的重要基础，可以有效地避免由于水平衡不良而导致的问题，从而提高燃料电池的使用效率。
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PE ＭFC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。