PEM輔助子系統(tǒng)——熱管理子系統(tǒng)

溫度是影響PEM輸出性能及耐久性的一個重要因素。一方面，提高溫度可以提高催化劑的活性、加快氣體擴(kuò)散速率以及質(zhì)子膜離子傳導(dǎo)速率，降低電池的內(nèi)阻，從而提高PEM的輸出功率；另一方面，過高的溫度會導(dǎo)致膜含水量降低，出現(xiàn)“脫水”現(xiàn)象，降低燃料電池的輸出性能。所以PEM發(fā)動機(jī)需要一套精確的熱管理系統(tǒng)，用于控制燃料電池的溫度在適合的區(qū)間。通常PEM燃料電池合適的工作溫度為60℃~80℃，這個溫度區(qū)間即可以保證催化劑有足夠的催化活性，又可以保證質(zhì)子膜能保留足夠的水分。

熱管理系統(tǒng)的目標(biāo)

1、  熱管理系統(tǒng)的設(shè)計，需要在電堆未達(dá)到目標(biāo)溫度的時候，迅速將溫度升溫至目標(biāo)溫度；當(dāng)溫度升至目標(biāo)溫度時，控制溫度保持穩(wěn)定，盡量減少溫度的波動，在發(fā)動機(jī)升載、降載過程能夠降低溫度波動的幅度，縮短達(dá)到目標(biāo)值所需要的時間。

2、  燃料電池在工作時，單片電池的額定輸出電壓一般在0.6 V~0.75 V之間，發(fā)電效率在40%~50%，其余的能量以熱量的形式發(fā)出。PEM的工作溫度一般在60℃~80℃之間，由于工作溫度與環(huán)境溫度相接近，無法以熱傳導(dǎo)和熱輻射的方式向環(huán)境散失熱量，絕大部分熱量由熱管理系統(tǒng)中的冷卻液帶走，熱管理系統(tǒng)需要維持工作溫度穩(wěn)定在一個區(qū)間范圍內(nèi)。這也是PEM熱管理系統(tǒng)的難點(diǎn)之一。

3、  為了保持電堆中各個單片電池的一致性，需要保持每一片電池溫度分布均勻。一般地，要保證冷卻液入口溫度與出口溫度的差值在10℃以內(nèi)，并且盡可能越小越好。電堆內(nèi)部溫度不一致，容易導(dǎo)致局部電壓過低。當(dāng)電堆內(nèi)部局部溫度過熱時，不僅對應(yīng)的單片電池膜會失水，還有可能導(dǎo)致膜出現(xiàn)熱分解而產(chǎn)生裂痕和孔隙。氫氣或氧氣會通過裂痕和孔隙擴(kuò)散到膜的另一側(cè)，氫氣和氧氣混合造成嚴(yán)重的后果。

現(xiàn)在的PEM電堆，為了保持各個單電池溫度的一致性，會在雙極板的中間設(shè)計一個凹槽，用于流動冷卻液，這樣可以保證冷卻液流過每一片單電池，避免了中間的單電池因?yàn)闊崃烤奂斐蓽囟冗^高。

圖 1 雙極板中冷卻液的流動通道

圖 2冷卻液、氫氣、氧氣在雙極板中的流動通道

一個典型的熱管理子系統(tǒng)主要包括冷卻水泵、加熱器、散熱器、節(jié)溫器、中冷器、膨脹水箱、去離子器、顆粒過濾器等零部件。

圖 3 PEM熱管理系統(tǒng)圖示

熱管理子系統(tǒng)的零部件

水泵

水泵是冷卻路中核心部件之一，其主要功能就是驅(qū)動冷卻液流動，增加冷卻液的壓力。水泵是指能夠?qū)C(jī)器的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體的動能和勢能的一類機(jī)器，通常用來提升、輸送液體或者給液體增加壓力。泵的主要功能有兩個，一個是提升作用，即提高液體的動能和勢能，可以用泵的揚(yáng)程衡量；一個是抽吸所用，即將低液位的液體抽吸入泵內(nèi)，可以用泵的吸程衡量。

揚(yáng)程

所謂揚(yáng)程，是指泵對單位液體所能提供的能量，單位為米（m）。簡單地理解，就是泵能夠在克服重力的條件下，能夠把液體泵多高。

離心泵的工作原理

水泵按照工作原理可以分為動力式泵和容積式泵。燃料電池發(fā)動機(jī)上常用的水泵是離心式泵，屬于動力式水泵。離心泵在工作時，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪帶動液體轉(zhuǎn)動，液體在離心作用下獲得動能和靜壓能，液體的流速和壓力隨之增大。由于液體在離心作用下向葉輪外流動，所以在葉輪中心形成低壓，管路中的液體在壓差的驅(qū)動下被吸入泵內(nèi)。只要葉片轉(zhuǎn)動不停，液體就會源源不斷地被吸入和排出。

汽蝕

在離心泵工作時，如果葉輪中心產(chǎn)生的低壓過低，小于液體的飽和蒸氣壓，液體就會因?yàn)閴毫^低而汽化，在水泵內(nèi)形成氣泡。大量的氣泡隨著水流從低壓區(qū)流向高壓區(qū)，遇到高壓后，會迅速炸裂，產(chǎn)生極大的沖擊力，產(chǎn)生噪聲和振動，并對葉輪造成損傷，這是離心泵的汽蝕現(xiàn)象。所以工程上在設(shè)計離心泵時，需要保證泵吸口處的總能量要低于所輸送液體的汽化所需要的能量，這個富裕的能量稱作泵的汽蝕余量。

圖 4 離心泵

圖 5 離心泵工作時各部位的壓強(qiáng)

氣縛

離心泵在啟動時，如果泵內(nèi)氣體過多，由于氣體的密度遠(yuǎn)低于液體，產(chǎn)生的離心力很小，在泵前形成的低壓不足以將液體吸入泵內(nèi)，這個就是離心泵的氣縛現(xiàn)象。氣縛相當(dāng)于泵在空載運(yùn)行，長時間運(yùn)行會影響泵的壽命。為了避免氣縛的出現(xiàn)，在啟動離心泵前需要往水泵充滿液體。

散熱器

散熱器是冷卻子系統(tǒng)中重要的部件之一，起到的就是對高溫冷卻液散熱降溫的作用。散熱器主要有三部分組成，分別是進(jìn)水口、出水口和散熱器芯。其中散熱器芯是其最核心的結(jié)構(gòu)，它由許多冷卻管和散熱片組成。

圖 6 散熱器的結(jié)構(gòu)

圖 7 散熱器的細(xì)分結(jié)構(gòu)

在散熱器工作時，攜帶熱量的高溫冷卻液由進(jìn)水口進(jìn)入散熱器，自上而下分為多股細(xì)流流經(jīng)冷卻管，并將熱量傳遞給散熱片，散熱片再將熱量傳導(dǎo)給空氣。在整個散熱過程中，高溫冷卻液將熱量傳遞給了空氣，溫度降低；空氣接受了來自冷卻液的熱量，溫度升高。散熱器本質(zhì)上是一種熱交換器。

圖 8 散熱器流體流動和熱量流動示意圖

為了增強(qiáng)散熱效果，散熱片往往設(shè)計成許許多多的小薄片，以保證充足的散熱面積；為了將散熱器傳出的熱量盡快帶走，往往在散熱器后面或前面安裝風(fēng)扇，強(qiáng)制空氣加速對流。

加熱器

為了使得PEM發(fā)動機(jī)在低溫時迅速升溫達(dá)到所需要的溫度，需要在啟動階段對燃料電池進(jìn)行加熱。加熱策略有多種，其中比較簡單的一種方法是通過在冷卻路中安裝加熱器，通過加熱器對冷卻液加熱達(dá)到快速升溫的目的。為了區(qū)分散熱與加熱，會專門設(shè)置一條回路安裝加熱器，用于加熱冷卻液專用。因?yàn)榧訜崞魍ㄟ^的回路冷卻液流量小于散熱器回路的流量，所以通常稱加熱器回路為小循環(huán)、散熱器回路為大循環(huán)

加熱器多采用PTC熱敏材料作為加熱電阻。PTC是positive temperature coefficient的縮寫，意思是正溫度系數(shù)，即電阻隨著溫度升高而變大的現(xiàn)象。PTC熱敏材料是一類陶瓷材料，使用BaTiO₃/ SrTiO₃ /PbTiO₃ 作為主要燒結(jié)成分，摻雜Nb、La、Sb等稀有金屬氧化物使其半導(dǎo)化，這類半導(dǎo)化的陶瓷稱作半導(dǎo)陶瓷。

在居里點(diǎn)溫度以下，PTC材料的電阻很低；當(dāng)溫度上升至居里點(diǎn)以上，電阻會突然增大使電流下降至穩(wěn)定值，達(dá)到自動控溫、保溫的目的。所以PTC熱敏電阻是一類很安全的電阻，在生活和工業(yè)中隨處可見。

節(jié)溫器

節(jié)溫器本質(zhì)是一類三通閥，通過調(diào)節(jié)三個閥門的開合比例來調(diào)節(jié)加熱回路和冷卻回路的冷卻液流量，實(shí)現(xiàn)大小循環(huán)的切換。

節(jié)溫器按照原理劃分可以分為三種類型：機(jī)械節(jié)溫器、電子節(jié)溫器和電機(jī)式節(jié)溫器。

機(jī)械節(jié)溫器又稱為蠟式節(jié)溫器，通過石蠟的液化和固化實(shí)現(xiàn)大小循環(huán)間的切換。當(dāng)溫度低于76℃時，主閥門完全關(guān)閉，旁通閥完全打開，冷卻液在小循環(huán)中流動；當(dāng)溫度升高到76℃，石蠟逐漸變?yōu)橐簯B(tài)，體積增大，迫使主閥門打開，同時旁通閥開度減小，當(dāng)溫度升高到88℃時，主閥門完全打開，旁通閥完全關(guān)閉，此時冷卻液在大循環(huán)中流動。

在機(jī)械節(jié)溫器的基礎(chǔ)上增加一個內(nèi)部加熱器，這就是電子節(jié)溫器。加熱器可以在溫度沒有達(dá)到石蠟膨脹溫度點(diǎn)時，通過電加熱對石蠟加熱，強(qiáng)制開啟大循環(huán)。

電機(jī)式節(jié)溫器完全摒棄了石蠟的特性，直接通過電機(jī)控制閥門的開啟和閉合，因此能夠改善傳統(tǒng)節(jié)溫器響應(yīng)慢、滯后等缺點(diǎn)，可以在1s內(nèi)完成從全開到全閉的過程，大大提高響應(yīng)速度。只要節(jié)溫器在工作溫度區(qū)間，各個溫度點(diǎn)都可以實(shí)現(xiàn)全開和全閉。

圖 9 蠟式節(jié)溫器

圖 10 電子節(jié)溫器

圖 11 旋轉(zhuǎn)式電機(jī)節(jié)溫器

節(jié)溫器在冷卻路中有兩種安裝形式：兩進(jìn)一出式和一進(jìn)兩出式。兩進(jìn)一出式通常布置在散熱器下游，大小循環(huán)的冷卻液在這里匯聚在一起，然后進(jìn)入電堆；一進(jìn)兩出式通常布置在散熱器上游，冷卻液從電堆出來后再這里分為兩股流體，分別通向大循環(huán)和小循環(huán)。許多研究發(fā)現(xiàn)，兩進(jìn)一出式比一進(jìn)兩出式可以更好地控制溫度變化，電流變載、溫度變化時，可以更快地達(dá)到目標(biāo)溫度，且溫度波動更小更加平穩(wěn)。

圖 12 節(jié)溫器的一進(jìn)兩出式布置方式

圖 13 節(jié)溫器的兩進(jìn)一出式布置方式

膨脹水箱

膨脹水箱多采用半透明的塑料制備，可以透過箱體直接觀察到液位，無需打開水箱蓋子，方便工作人員操作。膨脹水箱通常有以下幾個作用：

（1）      把冷卻系統(tǒng)變?yōu)橐粋€密封系統(tǒng)，斷開與外界的聯(lián)系，減少冷卻液的流失；

（2）      避免空氣進(jìn)入冷卻系統(tǒng)內(nèi)，導(dǎo)致零部件被銹蝕；

（3）      有利于管路中的氣體排出，使氣、液分離，保證系統(tǒng)內(nèi)部壓力穩(wěn)定。膨脹水箱上方一般留有一定空氣，空氣的可壓縮性可以保證冷卻系統(tǒng)內(nèi)部壓力保持穩(wěn)定；在冷區(qū)液溫度升高、壓力增大時，膨脹水箱可以為冷卻液提供膨脹的空間，起到穩(wěn)定壓力的作用。

（4）      防止泵汽蝕的發(fā)生。在水泵的吸水側(cè)，由于壓力過低，有可能形成氣泡，氣泡若不及時排走會隨著水流流向高壓區(qū)，產(chǎn)生汽蝕，對泵造成破壞。膨脹水箱安裝在泵的上游，有利于氣泡排出。產(chǎn)生的氣泡進(jìn)入膨脹水箱后，由于水箱溫度較低，氣泡會冷凝為液體，重新參與循環(huán)。

去離子器

燃料電池中的雙極板起到分隔氣體以及將電流從一片單電池的陽極傳導(dǎo)到另一片的陰極的作用，所以在燃料電池運(yùn)行過程中，雙極板是導(dǎo)電的，而且攜帶的是高電壓、大電流。如圖2所示，冷卻液直接與雙極板接觸，如果冷卻液是導(dǎo)體，雙極板的電流會傳導(dǎo)到冷卻液中，形成潛在危險。為了避免這種情況的發(fā)生，要求冷區(qū)液不能夠?qū)щ?，通常需要冷卻液的電導(dǎo)率低于5μs/cm。所以燃料電池冷卻系統(tǒng)需要采用去離子水作為冷卻液，若在低溫下使用，則需要采用乙二醇基防凍液。

在燃料電池運(yùn)行過程中，冷卻液不斷在管路中循環(huán)，然而冷卻系統(tǒng)中的零部件，如散熱器、中冷器、硅膠管等會持續(xù)不斷地析出Al3+、Fe3+等離子，久而久之會提高冷卻液的電導(dǎo)率。所以，往往在冷卻子系統(tǒng)中安裝一個去離子器，用于吸收析出在冷卻液中陰陽離子，維持冷卻液的電導(dǎo)率在一個較低的數(shù)值。

常見的去離子器由塑料外殼和交換樹脂內(nèi)芯組成。外殼采用塑料作為材料，是因?yàn)榕c金屬相比，析出的離子更少。內(nèi)芯起到吸附離子的作用，由多孔的顆粒狀交換樹脂構(gòu)成，以離子交換的形式去除冷卻液中的陰陽離子。以NaCl為例，交換樹脂去除離子的基本原理為：

兩者合并起來就是：

可以看出，經(jīng)過去離子器之后，水中的被吸附在樹脂上，生成了，因此達(dá)到了去除離子的效果。

圖 14 去離子器的結(jié)構(gòu)