综述：质子交换膜燃料电池热管理技术的最新进展综述

这篇综述系统评述了质子交换膜燃料电池(PEMFC)热管理技术的最新进展，重点分析了热现象建模、温度对耐久性的影响、水热耦合管理及主动/被动冷却策略。文章深入探讨了纳米流体、金属泡沫、相变材料(PCM)和热管等创新技术的应用潜力，为提升PEMFC在电动交通和建筑领域的能效与可靠性提供了重要参考。

　　

质子交换膜燃料电池热管理技术进展

引言

随着IPCC报告强调工业、建筑和交通领域脱碳的紧迫性，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其60%的发电效率和零排放特性成为绿色能源转型的关键技术。然而，PEMFC对工作温度的高度敏感性（最佳80°C，极限90°C）使得热管理成为其性能与寿命的核心挑战。

PEMFC热现象

燃料电池内部热量主要来源于四方面：电化学反应熵热（占30%）、阴极活化过电位不可逆热（60%）、欧姆阻抗焦耳热（10%）以及水相变潜热。局部温度梯度可通过傅里叶方程计算，其中气体扩散层(GDL)导热系数（0.0859-2 W·m^-1·K^-1）对MEA温度均匀性起决定性作用。研究表明，低导热GDL在干燥条件下可延缓膜脱水，但高导热GDL（如100 W·m^-1·K^-1）能使电流密度提升至1.38 A·cm^-2。

热管理技术比较

主动系统：

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  液冷系统：主流方案采用50%乙二醇-水混合冷却剂，但需配套去离子装置。金属泡沫（如铜/铝）填充流道可使温度均匀性提升27%，孔隙率0.7时为最优解。Al₂O₃纳米流体（0.1vol%）虽降低散热器面积21%，但可能增加漏电流。

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  相变冷却：两相系统如HFE-7100工质能将电堆温差控制在0.5°C内，航空应用可减少23%发动机阻力。

被动系统：

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  热管：微热管阵列(MHPA)使响应时间缩至600-900秒，但需改造双极板结构。超薄均热板(UVC)结合风扇可提升4%输出功率。

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  相变材料：石蜡基PCM（熔点58°C）填充2/3流道时，功率密度提升5.14%。纳米封装PCM（4%添加量）使储热能力增加18%。

水热协同管理

膜电极(MEA)水热耦合直接影响性能：膜电导率随湿度增加，但液态水过量会导致"水淹"。模糊控制等策略可使输出电压提升3-4%。蒸发冷却虽简化系统（减重30%），但易引发局部饱和问题。

温度与耐久性

80-120°C高温加速铂催化剂颗粒生长（粒径增加80%），而-5°C以下启动会导致膜裂纹。湿热循环（如150% RH→10% RH）2000次后，膜内出现贯穿裂纹。采用亲水层或停机干燥可缓解低温损伤。

未来方向

混合式热管理（如PCM+液冷）和人工智能优化（ANN响应面法）成为研究热点。需重点解决纳米流体电绝缘性、微热管集成工艺等挑战，以推动PEMFC在移动和固定场景的规模化应用。