PEM辅助子系统——热管理子系统
温度是影响PEM输出性能及耐久性的一个重要因素。一方面，提高温度可以提高催化剂的活性、加快气体扩散速率以及质子膜离子传导速率，降低电池的内阻，从而提高PEM的输出功率；另一方面，过高的温度会导致膜含水量降低，出现“脱水”现象，降低燃料电池的输出性能。所以PEM发动机需要一套精确的热管理系统，用于控制燃料电池的温度在适合的区间。通常PEM燃料电池合适的工作温度为60℃~80℃，这个温度区间即可以保证催化剂有足够的催化活性，又可以保证质子膜能保留足够的水分。
1、 热管理系统的设计，需要在电堆未达到目标温度的时候，迅速将温度升温至目标温度；当温度升至目标温度时，控制温度保持稳定，尽量减少温度的波动，在发动机升载、降载过程能够降低温度波动的幅度，缩短达到目标值所需要的时间。
2、 燃料电池在工作时，单片电池的额定输出电压一般在0.6 V~0.75 V之间，发电效率在40%~50%，其余的能量以热量的形式发出。PEM的工作温度一般在60℃~80℃之间，由于工作温度与环境温度相接近，无法以热传导和热辐射的方式向环境散失热量，绝大部分热量由热管理系统中的冷却液带走，热管理系统需要维持工作温度稳定在一个区间范围内。这也是PEM热管理系统的难点之一。
3、 为了保持电堆中各个单片电池的一致性，需要保持每一片电池温度分布均匀。一般地，要保证冷却液入口温度与出口温度的差值在10℃以内，并且尽可能越小越好。电堆内部温度不一致，容易导致局部电压过低。当电堆内部局部温度过热时，不仅对应的单片电池膜会失水，还有可能导致膜出现热分解而产生裂痕和孔隙。氢气或氧气会通过裂痕和孔隙扩散到膜的另一侧，氢气和氧气混合造成严重的后果。
现在的PEM电堆，为了保持各个单电池温度的一致性，会在双极板的中间设计一个凹槽，用于流动冷却液，这样可以保证冷却液流过每一片单电池，避免了中间的单电池因为热量聚集而造成温度过高。
图 1 双极板中冷却液的流动通道
图 2冷却液、氢气、氧气在双极板中的流动通道
一个典型的热管理子系统主要包括冷却水泵、加热器、散热器、节温器、中冷器、膨胀水箱、去离子器、颗粒过滤器等零部件。
图 3 PEM热管理系统图示
水泵是冷却路中核心部件之一，其主要功能就是驱动冷却液流动，增加冷却液的压力。水泵是指能够将机器的机械能转化为液体的动能和势能的一类机器，通常用来提升、输送液体或者给液体增加压力。泵的主要功能有两个，一个是提升作用，即提高液体的动能和势能，可以用泵的扬程衡量；一个是抽吸所用，即将低液位的液体抽吸入泵内，可以用泵的吸程衡量。
所谓扬程，是指泵对单位液体所能提供的能量，单位为米（m）。简单地理解，就是泵能够在克服重力的条件下，能够把液体泵多高。
水泵按照工作原理可以分为动力式泵和容积式泵。燃料电池发动机上常用的水泵是离心式泵，属于动力式水泵。离心泵在工作时，高速旋转的叶轮带动液体转动，液体在离心作用下获得动能和静压能，液体的流速和压力随之增大。由于液体在离心作用下向叶轮外流动，所以在叶轮中心形成低压，管路中的液体在压差的驱动下被吸入泵内。只要叶片转动不停，液体就会源源不断地被吸入和排出。
在离心泵工作时，如果叶轮中心产生的低压过低，小于液体的饱和蒸气压，液体就会因为压力过低而汽化，在水泵内形成气泡。大量的气泡随着水流从低压区流向高压区，遇到高压后，会迅速炸裂，产生极大的冲击力，产生噪声和振动，并对叶轮造成损伤，这是离心泵的汽蚀现象。所以工程上在设计离心泵时，需要保证泵吸口处的总能量要低于所输送液体的汽化所需要的能量，这个富裕的能量称作泵的汽蚀余量。
图 4 离心泵
图 5 离心泵工作时各部位的压强
离心泵在启动时，如果泵内气体过多，由于气体的密度远低于液体，产生的离心力很小，在泵前形成的低压不足以将液体吸入泵内，这个就是离心泵的气缚现象。气缚相当于泵在空载运行，长时间运行会影响泵的寿命。为了避免气缚的出现，在启动离心泵前需要往水泵充满液体。
散热器是冷却子系统中重要的部件之一，起到的就是对高温冷却液散热降温的作用。散热器主要有三部分组成，分别是进水口、出水口和散热器芯。其中散热器芯是其最核心的结构，它由许多冷却管和散热片组成。
图 6 散热器的结构
图 7 散热器的细分结构
在散热器工作时，携带热量的高温冷却液由进水口进入散热器，自上而下分为多股细流流经冷却管，并将热量传递给散热片，散热片再将热量传导给空气。在整个散热过程中，高温冷却液将热量传递给了空气，温度降低；空气接受了来自冷却液的热量，温度升高。散热器本质上是一种热交换器。
图 8 散热器流体流动和热量流动示意图
为了增强散热效果，散热片往往设计成许许多多的小薄片，以保证充足的散热面积；为了将散热器传出的热量尽快带走，往往在散热器后面或前面安装风扇，强制空气加速对流。
为了使得PEM发动机在低温时迅速升温达到所需要的温度，需要在启动阶段对燃料电池进行加热。加热策略有多种，其中比较简单的一种方法是通过在冷却路中安装加热器，通过加热器对冷却液加热达到快速升温的目的。为了区分散热与加热，会专门设置一条回路安装加热器，用于加热冷却液专用。因为加热器通过的回路冷却液流量小于散热器回路的流量，所以通常称加热器回路为小循环、散热器回路为大循环
加热器多采用PTC热敏材料作为加热电阻。PTC是positive temperature coefficient的缩写，意思是正温度系数，即电阻随着温度升高而变大的现象。PTC热敏材料是一类陶瓷材料，使用BaTiO3/ SrTiO3 /PbTiO3 作为主要烧结成分，掺杂Nb、La、Sb等稀有金属氧化物使其半导化，这类半导化的陶瓷称作半导陶瓷。
在居里点温度以下，PTC材料的电阻很低；当温度上升至居里点以上，电阻会突然增大使电流下降至稳定值，达到自动控温、保温的目的。所以PTC热敏电阻是一类很安全的电阻，在生活和工业中随处可见。
节温器本质是一类三通阀，通过调节三个阀门的开合比例来调节加热回路和冷却回路的冷却液流量，实现大小循环的切换。
节温器按照原理划分可以分为三种类型：机械节温器、电子节温器和电机式节温器。
机械节温器又称为蜡式节温器，通过石蜡的液化和固化实现大小循环间的切换。当温度低于76℃时，主阀门完全关闭，旁通阀完全打开，冷却液在小循环中流动；当温度升高到76℃，石蜡逐渐变为液态，体积增大，迫使主阀门打开，同时旁通阀开度减小，当温度升高到88℃时，主阀门完全打开，旁通阀完全关闭，此时冷却液在大循环中流动。
在机械节温器的基础上增加一个内部加热器，这就是电子节温器。加热器可以在温度没有达到石蜡膨胀温度点时，通过电加热对石蜡加热，强制开启大循环。
电机式节温器完全摒弃了石蜡的特性，直接通过电机控制阀门的开启和闭合，因此能够改善传统节温器响应慢、滞后等缺点，可以在1s内完成从全开到全闭的过程，大大提高响应速度。只要节温器在工作温度区间，各个温度点都可以实现全开和全闭。
图 9 蜡式节温器
图 10 电子节温器
图 11 旋转式电机节温器
节温器在冷却路中有两种安装形式：两进一出式和一进两出式。两进一出式通常布置在散热器下游，大小循环的冷却液在这里汇聚在一起，然后进入电堆；一进两出式通常布置在散热器上游，冷却液从电堆出来后再这里分为两股流体，分别通向大循环和小循环。许多研究发现，两进一出式比一进两出式可以更好地控制温度变化，电流变载、温度变化时，可以更快地达到目标温度，且温度波动更小更加平稳。
图 12 节温器的一进两出式布置方式
图 13 节温器的两进一出式布置方式
膨胀水箱多采用半透明的塑料制备，可以透过箱体直接观察到液位，无需打开水箱盖子，方便工作人员操作。膨胀水箱通常有以下几个作用：
（1） 把冷却系统变为一个密封系统，断开与外界的联系，减少冷却液的流失；
（2） 避免空气进入冷却系统内，导致零部件被锈蚀；
（3） 有利于管路中的气体排出，使气、液分离，保证系统内部压力稳定。膨胀水箱上方一般留有一定空气，空气的可压缩性可以保证冷却系统内部压力保持稳定；在冷区液温度升高、压力增大时，膨胀水箱可以为冷却液提供膨胀的空间，起到稳定压力的作用。
（4） 防止泵汽蚀的发生。在水泵的吸水侧，由于压力过低，有可能形成气泡，气泡若不及时排走会随着水流流向高压区，产生汽蚀，对泵造成破坏。膨胀水箱安装在泵的上游，有利于气泡排出。产生的气泡进入膨胀水箱后，由于水箱温度较低，气泡会冷凝为液体，重新参与循环。
燃料电池中的双极板起到分隔气体以及将电流从一片单电池的阳极传导到另一片的阴极的作用，所以在燃料电池运行过程中，双极板是导电的，而且携带的是高电压、大电流。如图2所示，冷却液直接与双极板接触，如果冷却液是导体，双极板的电流会传导到冷却液中，形成潜在危险。为了避免这种情况的发生，要求冷区液不能够导电，通常需要冷却液的电导率低于5μs/cm。所以燃料电池冷却系统需要采用去离子水作为冷却液，若在低温下使用，则需要采用乙二醇基防冻液。
在燃料电池运行过程中，冷却液不断在管路中循环，然而冷却系统中的零部件，如散热器、中冷器、硅胶管等会持续不断地析出Al3+、Fe3+等离子，久而久之会提高冷却液的电导率。所以，往往在冷却子系统中安装一个去离子器，用于吸收析出在冷却液中阴阳离子，维持冷却液的电导率在一个较低的数值。
常见的去离子器由塑料外壳和交换树脂内芯组成。外壳采用塑料作为材料，是因为与金属相比，析出的离子更少。内芯起到吸附离子的作用，由多孔的颗粒状交换树脂构成，以离子交换的形式去除冷却液中的阴阳离子。以NaCl为例，交换树脂去除离子的基本原理为：
两者合并起来就是：
可以看出，经过去离子器之后，水中的被吸附在树脂上，生成了，因此达到了去除离子的效果。
图 14 去离子器的结构
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