摘要：质子交换膜燃料电池(PEMFC)因能量转化率高且环境友好，成为新一代能源动力的选择。通过分析温度对PEMFC运行性能的重要影响说明对电池进行有效热管理的重要性，按照主动冷却和被动冷却的分类方式对目前PEMFC热管理的研究现状进行归纳和综述，着重介绍运用相变材料的电池热管理系统中材料的选择和强化传热的方法，并对该领域未来研究方向进行了展望。
引言
目前全社会的可持续发展意识稳步攀升，环境友好且不受卡诺循环制约的燃料电池成为替代传统化石能源的新一代能源动力选择。质子交换膜燃料电池(PEMFC)因具有运行温度低、能量转化率高、冷启动迅速、无污染、寿命长、比功率与比能量高和结构紧凑等诸多优势，广泛应用于新能源汽车、航空航天、固定式发电系统和便携式移动电源等领域[1]。PEMFC的能源转化效率为40%～60%[2]，将近一半的化学能转化成热能在电堆内累积，这对合理有效的热管理设计提出了更高的要求。如何将PEMFC的温度控制在最佳运行工况范围内并进行余热回收，使能量利用率最大化，是目前PEMFC热管理领域面对的最大挑战。相变材料(phasechangematerial，PCM)作为储热材料的一种恰好可以解决这个问题。PCM利用材料的相变潜热实现能量的储存和利用，是缓解能量供求双方在时间、强度及地点上不匹配的有效方式[3]，在未来燃料电池热管理领域拥有巨大的发展空间。
温度是影响PEMFC工作性能的重要参数之一。当温度升高时，PEMFC内反应的动力学特征参数增加，反应气体扩散系数增大，催化剂活性提高，电化学反应速率加快。同时，随着工作温度的升高，水的扩散速率加快，极化过电位降低，质子交换膜的离子传导率增大，欧姆阻抗降低，使膜的含水量增加，也减少了阴极的水淹[4-5]。通用的PEMFC采用全氟磺酸聚合物为质子交换膜，其运行温度为60～80℃[6]。当工作温度超过80℃时，质子交换膜上的水分蒸发加快，膜的侧链区域和亲水离子簇区域失水，导致膜内的离子通道收缩，质子传导率和力学性能下降，甚至收缩破裂，使PEMFC无法正常运行[7]。当运行温度降低，尤其是低于0℃时，电池内剩余的水凝固结冰，水相变产生9%的体积膨胀，使催化层与质子交换膜和气体扩散层分离，在膜上留下机械应力裂缝，影响电化学反应进行。当电池经历10次凝固-熔化循环后，质子交换膜和气体扩散层因机械损坏而使电池完全失效[8-11]。这就是热管理的另一个重要组成部分——PEMFC冷启动问题。因此，将PEMFC的工作温度控制在合理范围内是保证其高效运行和耐久性的根本。
1PEMFC热管理的研究方法
PEMFC热管理的研究方法主要包括对电池内部产热机理、传热规律和温度分布建立数学模型和对电堆冷却方式进行设计。
1.1建立数学模型
PEMFC热管理的数值模拟模型分为一维模型、二维模型和三维模型。通过数学模型对影响参数和优化方法进行变量分析，可以对实际的生产应用起到指导作用。Rowe等[12]建立了一维非等温数学模型，包含膜含水量的变化、反应气体与水蒸气混合以及电池内温度分布的能量方程，以此研究不同设计和操作条件对电池性能、热响应和水管理的影响，模拟结果表明电极处水的相变会对PEMFC内的温度分布造成影响，电池内的峰值温度与电池运行温度以及反应气体加湿量息息相关，操作压力和电流密度增大会使膜的含水量减小，从而降低整个电池性能。Afshari等[13]提出了一个研究水、热传递现象的二维非等温电化学传输模型，结果显示阴极的水淹现象使氧气到阴极催化层的扩散速率减小并增强了阴极极化，影响电流密度的分布，电池的温度分布由电压决定并影响水的两相传输，入口处和阴极侧质子交换膜与催化层的交界处温度最高。Dumercy等[14]构建了一个三维热管理模型预测不同边界条件下PEMFC内部温度和流量分布，针对W和W两种功率电池集成电堆模型估算整个电堆系统的能量效率并研究相邻电池对热流分布的影响，通过红外热成像摄像机得到外表面温度，推算出散热损失流量，进而对电堆系统的总效率进行了优化。
1.2冷却方式设计
PEMFC的合理运行温度范围较小，与环境温差小，反应尾气带走的热量基本可以忽略，这就对冷却系统的设计提出了更高的要求。
目前，对于PEMFC的冷却方式可以根据是否消耗外加动力分为主动冷却和被动冷却两种。
主动冷却是通过在电堆中相邻电池的双极板上设置冷却流道或加置带有冷却流道的冷却板实现强制对流换热。冷却流道按几何形状分为直流道、蛇形流道、C形流道、Z形流道、V形流道、U形流道、B形流道以及树状网络微流道等。合理的流道的几何结构能增强流体介质的紊流，使对流换热的传热系数增大且压力损失较小[15-17]。根据冷却介质的不同，主动冷却可分为风冷和液冷。风冷以空气作为冷却介质，冷却气体与反应气体分离，单独供给，适合冷却W～2kW之间的PEMFC电堆[18-19]。液冷的冷却剂多采用去离子水或乙二醇与水的混合溶液作为低温运行的防冻液，因为液体的传热系数比空气大得多，所以液冷多用于10kW以上的PEMFC电堆散热，通常鼓风机和补水泵的动力消耗为电堆总输出功率的4%～10%[20-21]。
被动冷却主要包括导热板冷却、热管冷却和蒸发冷却。导热板冷却是利用平面内热导率高的材料，如膨胀石墨和热解石墨，通过热传导的方式将热量从PEMFC的中央转移到边缘，再进行散热。导热板通常会切割出流道的形状，并放置在膜电极垫圈和阴极气体流道板之间[22-23]。热管冷却是将热管嵌入双极板，利用热管自身无须外部动力输入便可将大量的热量通过其很小的截面积进行远距离传输的性质进行散热[24-26]。热管的传热机理为：当热管的蒸发端受热时,毛细芯中的液体蒸发汽化,蒸气在微小的压差下流向另一端，放出热量，凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发端,如此循环往复，热量从热管的一端传至另一端[27]。蒸发冷却是利用水蒸发时的相变潜热带走电池内多余热量进行控温，常用的方法包括在反应气体流道内加入液态水、使用带有毛细作用材料的双极板或多孔双极板[28-31]。图1即为带有毛细作用材料的双极板结构。被动冷却方式不仅节省了冷却系统的体积和质量，减小其复杂性，更免去了主动冷却方式的额外动力消耗，使整个PEMFC系统效率增加。与传统的主动冷却方式相比，被动冷却式热管理受到了越来越多的