燃料電池產業化進程中的關鍵一環：質子交換膜燃料電池水熱管理

焦魁

天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室教授、博士生導師。主要從事能源利用和工程熱物理方面的研究工作。近年來主持燃料電池相關項目30餘項，包括國家優秀青年基金、英國皇家學會牛頓高級學者基金、國家重點研發計劃課題等國家和省部級項目，以及上汽、一汽、濰柴、捷氫、博世、新源動力等企業委託研發項目。所開發的燃料電池仿真模型在多家企業得到成功應用。擔任國際期刊Energy and AI創刊副主編、中國內燃機學會燃料電池發動機分會副主任委員。獲霍英東青年教師獎、吳仲華青年學者獎等榮譽。

燃料電池是一種電化學能量轉換裝置，能夠直接將化學能轉化為電能。它的工作過程與傳統熱機明顯不同，不受卡諾循環的效率限制，因而具有能量轉化效率高、無汙染、低噪聲等特點，是一種理想的能源利用方式。

在多種燃料電池中，以氫氣為燃料的質子交換膜燃料電池也常稱為聚合物電解質膜燃料電池(polymer electrolyte membrane fuel cell，PEMFC)，不僅具備燃料電池的一般優勢，還具有工作溫度低和啟停響應快等特點，在未來可廣泛應用於汽車動力源、分布式發電、無人機及軍事應用等場景。

質子交換膜燃料電池是目前技術成熟度最高、應用最廣泛的一種燃料電池。2017 年全球質子交換膜燃料電池出貨量為4.55 萬個，佔全球燃料電池總出貨量的62.67%；出貨容量為486.8MW，佔全球燃料電池總出貨容量的72.69%。可以預見，質子交換膜燃料電池在國際國內都具有良好的發展前景，勢必在未來全球的能源應用和能量轉化裝置等領域佔據重要地位。

上汽集團榮威950 燃料電池轎車及其搭載的捷氫科技燃料電池系統PROME P240S。榮威950是目前國內首款實現公告、銷售和上牌的燃料電池乘用車，也是國內首款應用70MPa 儲氫系統的燃料電池車型，續航裡程可達430km，搭載捷氫科技燃料電池系統PROME P240S。

客觀上，希望質子交換膜燃料電池在未來像內燃機和火力電廠一樣出現在人們能源利用的各個角落，仍有較長的路要走。通過大力發展質子交換膜燃料電池技術，提升性能、降低成本及提高壽命是質子交換膜燃料電池研究和發展的核心目標。本書（文）的核心內容——質子交換膜燃料電池水熱管理，就是為了實現這一目標而開展的相關工作。

質子交換膜燃料電池的基本工作原理及實物圖

質子交換膜燃料電池作為一種能量轉化和動力機械裝置，許多方面可以與內燃機來類比。內燃機工作時我們所關注問題包括燃料供給、新鮮空氣的補充和尾氣的排放、氣道和氣缸內的流動、燃燒過程、冷卻系統及啟動系統等。對於質子交換膜燃料電池內部過程，氣體反應物輸送至電化學反應位點的過程可類比於燃料和新鮮空氣的供給，電化學反應生成物水的排出可類比於內燃機尾氣的排放，燃料電池的流道和多孔電極中的流動可類比於歧管和氣缸中的流動，電化學反應過程類比於燃燒及做功過程。燃料電池雖然具有較高的能量轉化效率，但依然有廢熱產生，需要冷卻系統帶走多餘的熱量。質子交換膜燃料電池同樣存在啟動和低溫啟動等問題。因此，質子交換膜燃料電池水熱管理，就是質子交換膜燃料電池所有內部傳輸過程的統稱，涵蓋了電池內「氣—水—電—熱—力」傳輸的所有過程。

電池內的「水—電—熱—氣—力」五點彼此影響，耦合在一起，均對質子交換膜燃料電池的輸出性能和壽命有重要的影響，這使質子交換膜燃料電池水熱管理充滿挑戰。每一次水熱管理的突破都將帶來質子交換膜燃料電池技術的重大進展。

2003 年，我初次與燃料電池結緣。彼時大三的我有幸進入周彪老師的實驗室接觸相關的研究工作。經過四年的學習探索後，進入滑鐵盧大學李獻國老師實驗室開啟博士階段的研究。2011 年，我來到天津大學工作，與杜青、尹燕等幾位老師共同承擔起了燃料電池方面的研究任務，這也是內燃機燃燒學國家重點實驗室在傳統動力之外開拓的新領域。隨著思考與探究的深入，我愈發覺得，水熱管理將成為燃料電池產業化進程中的關鍵一環。如今回首，這一想法恰恰與近二十年間燃料電池技術的發展歷程相符合。

近十年來，隨著中國燃料電池產業的蓬勃發展，在國家重點研發計劃、自然科學基金、企業合作等項目的支持下，我們團隊開發了一系列具有自主智慧財產權的燃料電池仿真模型，形成了完整的燃料電池設計、製備、組裝和測試體系，在多家企業的燃料電池水熱管理研究和產品正向開發過程中得到了成功應用。

天津大學燃料電池團隊合影(拍攝於2019 年12 月)

基於團隊多年來的研究積累，我們撰寫了這部專著《質子交換膜燃料電池水熱管理》（焦魁等著. 北京：科學出版社，2020.6）。本書詳細介紹了質子交換膜燃料電池水熱管理所涉及的基本原理和研究方法。全書共分為8 章，第1 章介紹了相關的基本原理和發展背景；第2 章講述了各部件工作原理與傳輸機制；第3 章詳細介紹了表徵測試及診斷分析方法；第4～7 章分別講解了各部件、單電池、電堆及系統層面所涉及的水熱管理問題和仿真方法；第8 章為總結與展望。此外，我們也開源了一些自主開發的、不依靠於商業軟體運行的燃料電池仿真和水熱管理研究的源程序，供感興趣的讀者參考使用。

「十三五」期間，我國在燃料電池基礎研究和產業化發展等方面進展顯著，產業鏈已初步形成。「十四五」將是我國相關技術和產業實現從跟跑到並跑轉換的關鍵時期。希望本書對從事燃料電池研究的科技工作者會有所幫助和獲益，為整個燃料電池行業的發展和技術進步做出貢獻。

本文摘編自《質子交換膜燃料電池水熱管理》（焦魁等著. 北京：科學出版社，2020.6）一書「前言」「序一」「序二」「第1章 導論」，有刪減修改，標題為編者所加。

ISBN 978-7-03-065086-3

責任編輯：範運年

質子交換膜燃料電池是一種清潔、高效的電化學能量轉化裝置，其內部存在電化學反應、多相流動及傳熱等複雜的物理化學過程。探究質子交換膜燃料電池內部反應及傳輸過程機理，並通過電池設計優化實現這些過程的有效調控，稱為質子交換膜燃料電池水熱管理。良好的水熱管理，對於提升電池性能和耐久性具有重要的意義。本書共8 章，以質子交換膜燃料電池水熱管理為核心，系統詳細地介紹了燃料電池基礎及水熱管理，各部件工作原理與傳輸機制，表徵測試及診斷分析，部件內部多相流動和電極動力學仿真，單電池、電堆以及系統層面的水熱管理與建模分析。本書適合於從事質子交換膜燃料電池及水熱管理技術研究、產品開發及教學等相關人員閱讀和參考。

目 錄

序一

序二

前言

符號表

第1章 導論 1

1.1 質子交換膜燃料電池在能源環境問題中的角色 1

1.2 質子交換膜燃料電池基礎 3

1.2.1 工作原理 3

1.2.2 基礎結構 4

1.2.3 燃料電池熱力學 5

1.2.4 燃料電池反應動力學 9

1.2.5 燃料電池的輸出性能 12

1.2.6 燃料電池的效率 14

1.3 質子交換膜燃料電池水熱管理 16

1.3.1 水熱管理 16

1.3.2 水熱管理的研究內容及現狀 18

參考文獻 20

第2章 各部件工作原理與傳輸機制 23

2.1 水熱管理中的「水」和「熱」 23

2.1.1 水的狀態 23

2.1.2 電池中的產熱與散熱 24

2.2 極板和流場 25

2.2.1 傳統流場 25

2.2.2 三維流場 29

2.2.3 多孔介質流場 31

2.3 電解質 33

2.3.1 電解質及水的狀態 33

2.3.2 電解質內質子傳輸 35

2.3.3 電解質內水傳輸 36

2.3.4 電解質內氣體傳輸 40

2.4 多孔電極 42

2.4.1 多孔電極結構 42

2.4.2 多孔電極內的擴散與對流 47

2.4.3 多孔區域內水的相變 49

2.4.4 催化層內水的狀態和傳輸 51

2.4.5 多孔電極內電傳輸 53

本章小結 54

參考文獻 54

第3章 質子交換膜燃料電池表徵測試及診斷分析 57

3.1 實驗方法概述 57

3.2 宏觀特性表徵 58

3.2.1 極化曲線 58

3.2.2 機械振動 58

3.2.3 重力特性 59

3.2.4 低溫啟動 60

3.2.5 耐久性 62

3.3 電化學表徵 64

3.3.1 電化學阻抗譜法 65

3.3.2 高頻阻抗 72

3.3.3 電流中斷法 74

3.3.4 循環伏安法 74

3.3.5 線性掃描伏安法 76

3.3.6 一氧化碳溶出伏安法 78

3.4 分布特性表徵 79

3.4.1 電流密度分布 79

3.4.2 電化學阻抗譜法分布 81

3.4.3 組分分布 81

3.4.4 溫度分布 82

3.5 可視化 83

3.5.1 光學透明電池 84

3.5.2 X射線成像 85

3.5.3 中子成像 86

3.5.4 核磁共振成像 87

3.6 材料離線表徵 88

3.6.1 多孔性與滲透性 88

3.6.2 膜電導率 89

3.6.3 微觀結構分析 89

3.6.4 粒度分析 92

3.6.5 元素分析 94

本章小結 95

參考文獻 96

習題與實戰 99

第4章 燃料電池部件內部多相流動和電極動力學仿真 101

4.1 數值方法回顧 101

4.2 流道內的模擬 102

4.2.1 流動現象概述 102

4.2.2 宏觀數值方法對運動界面的處理 104

4.2.3 格子玻爾茲曼方法在流道中的應用 109

4.2.4 流道內的湍流流動模擬 114

4.3 多孔介質內的模擬 117

4.3.1 多孔介質內物理問題概述 117

4.3.2 多孔介質微觀結構重構 118

4.3.3 VOF方法在多孔介質內的應用 131

4.3.4 格子玻爾茲曼方法在多孔介質內的應用 133

本章小結 147

參考文獻 147

習題與實戰 153

第5章 單電池水熱管理與建模分析 154

5.1 單電池水熱管理仿真模型簡介 154

5.2 CFD數值模型 155

5.2.1 流場內氣液兩相流動過程仿真分析 156

5.2.2 單電池多孔電極內傳輸過程建模分析 160

5.2.3 膜態水傳輸過程 165

5.2.4 離子和電子傳輸過程 166

5.2.5 熱傳輸過程 174

5.2.6 模型驗證 175

5.2.7 網格獨立性 178

5.2.8 CFD數值模型計算 179

5.2.9 CFD數值模型結果 179

5.2.10 冷啟動工況 186

5.3 低維模型 188

5.3.1 一維穩態模型 189

5.3.2 準二維瞬態模型 194

本章小結 200

參考文獻 200

習題與實戰 202

第6章 電堆水熱管理與建模分析 203

6.1 質子交換膜燃料電池堆及其水熱管理 203

6.1.1 電堆結構 203

6.1.2 電堆封裝 206

6.1.3 電堆的冷卻 207

6.1.4 電堆水熱管理 210

6.2 電堆三維數值模型 211

6.2.1 電堆歧管模型 212

6.2.2 包含全電池的電堆模型 212

6.3 電堆低維模型 218

6.3.1 流體網絡模型 219

6.3.2 一維電堆模型中的熱邊界 221

本章小結 223

參考文獻 223

習題與實戰 225

第7章 系統設計與水熱管理分析 226

7.1 燃料電池系統概述 226

7.1.1 氫氣製備、提純與儲存工藝 227

7.1.2 氣體供給系統 231

7.1.3 加溼系統 236

7.1.4 熱管理系統 238

7.1.5 燃料電池汽車動力系統 240

7.2 輔助子系統模型 243

7.2.1 膜加溼器模型 243

7.2.2 電化學氫氣泵模型 248

7.2.3 空氣壓縮機模型 254

7.2.4 熱管理系統模型 259

7.2.5 系統仿真模型 264

7.3 燃料電池系統熱力學分析 267

7.3.1 能量分析法 268

7.3.2 分析法 268

7.4 系統控制策略與故障規律 270

7.4.1 控制策略 270

7.4.2 故障規律 272

本章小結 273

參考文獻 274

習題與實戰 277

第8章 總結與展望 278

參考文獻 279

附錄 281

（本文編輯：劉四旦）