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

来源：科学出版社

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。 

客观上，希望质子交换膜燃料电池在未来像内燃机和火力电厂一样出现在人们能源利用的各个角落，仍有较长的路要走。通过大力发展质子交换膜燃料电池技术，提升性能、降低成本及提高寿命是质子交换膜燃料电池研究和发展的核心目标。本书（文）的核心内容——质子交换膜燃料电池水热管理，就是为了实现这一目标而开展的相关工作。

▲ 质子交换膜燃料电池的基本工作原理及实物图

质子交换膜燃料电池作为一种能量转化和动力机械装置，许多方面可以与内燃机来类比。内燃机工作时我们所关注问题包括燃料供给、新鲜空气的补充和尾气的排放、气道和气缸内的流动、燃烧过程、冷却系统及启动系统等。对于质子交换膜燃料电池内部过程，气体反应物输送至电化学反应位点的过程可类比于燃料和新鲜空气的供给，电化学反应生成物水的排出可类比于内燃机尾气的排放，燃料电池的流道和多孔电极中的流动可类比于歧管和气缸中的流动，电化学反应过程类比于燃烧及做功过程。燃料电池虽然具有较高的能量转化效率，但依然有废热产生，需要冷却系统带走多余的热量。质子交换膜燃料电池同样存在启动和低温启动等问题。因此，质子交换膜燃料电池水热管理，就是质子交换膜燃料电池所有内部传输过程的统称，涵盖了电池内“气—水—电—热—力”传输的所有过程

电池内的“水—电—热—气—力”五点彼此影响，耦合在一起，均对质子交换膜燃料电池的输出性能和寿命有重要的影响，这使质子交换膜燃料电池水热管理充满挑战。每一次水热管理的突破都将带来质子交换膜燃料电池技术的重大进展。

2003 年，我初次与燃料电池结缘。彼时大三的我有幸进入周彪老师的实验室接触相关的研究工作。经过四年的学习探索后，进入滑铁卢大学李献国老师实验室开启博士阶段的研究。2011 年，我来到天津大学工作，与杜青、尹燕等几位老师共同承担起了燃料电池方面的研究任务，这也是内燃机燃烧学国家重点实验室在传统动力之外开拓的新领域。随着思考与探究的深入，我愈发觉得，水热管理将成为燃料电池产业化进程中的关键一环。如今回首，这一想法恰恰与近二十年间燃料电池技术的发展历程相符合。

近十年来，随着中国燃料电池产业的蓬勃发展，在国家重点研发计划、自然科学基金、企业合作等项目的支持下，我们团队开发了一系列具有自主知识产权的燃料电池仿真模型，形成了完整的燃料电池设计、制备、组装和测试体系，在多家企业的燃料电池水热管理研究和产品正向开发过程中得到了成功应用。