质子交换膜燃料电池（PEMFC）除具有燃料电池一般特点之外，还具有低温启动快、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率和比能量高等突出优点，能够取代现有的汽车发动机作为动力源。
图1是一个燃料电池发动机系统的示意图。燃料供给设备一般为氢罐，进入阳极前先加湿及加热；空气供给设备（空压机或风机）向电池提供环境中的空气，进入阴极前也须调节状态；散热器排出冷却液从电池堆带出的热量。
目前影响PEMFC技术实用化的一个重要问题是热量和水的管理。燃料电池内部热平衡与水平衡紧密相联、互相影响，对燃料电池组的功率提升、燃料效率最佳化、燃料电池的寿命和运行安全起着关键作用。
燃料电池发动机系统的水和热的管理是相辅相成的，按照不同的回路，对电池反应循环内水的管理和对电池需要排出热的管理加以了区分，希望对燃料电池动力系统的分析和计算提供一个新颖而有效的方法。
图1燃料电池发动机系统结构示意图
一、水管理
在PEMFC中，质子交换膜需要保持一定的湿润度才能保持质子的高传导性和良好的运行特性，过干会使质子交换膜失去传导质子的能力，电池堆中水量过多也会影响电池堆性能，造成电极水淹等问题。Ballard和TAMU等公司对PEMFC的水管理进行了深入研究，提出了实现有效水管理的多种途径：（1）膜电极和电池结构的优化设计；（2）对PEMFC的运行参数进行综合调整；（3）选择合适的质子交换膜和碳布（纸）。当燃料电池选定后，一般就通过对该系统的参数进行自动控制的方式来进行管理。水管理的内容包括反应气加湿、质子交换膜内水传递的控制和电池排水。
1．反应气加湿
为了使燃料电池稳定、高功率运转，质子交换膜应保持湿润状态，维持质子通道并减小内阻，质子通道与外电路构成了回路。膜的电导率强烈地依赖于膜中水含量，所以控制适当的水分布对提高膜电导率具有十分重要的意义。水管理对于改善膜中水分布，提高PEM燃料电池的性能至关重要。因此要使燃料电池正常发电，加湿系统就显得相当重要。目前的电池加湿方法可以分为3类：（1）外部加湿法。包括简单外增湿法、直接液态水湿化法、渗透膜增湿器；（2）内部加湿法。包括渗透膜法、多孔碳板法；（3）自加湿法。包括压力迁移法、体流场改进法、Pt-PEM膜自增湿法。目前，普遍采用膜加湿器对电池堆进行加湿。一般计算时按照进口湿度为100%，但实际均达不到。
2．质子交换膜内水传递的控制
对质子交换膜内水传递的控制主要通过对反应气的流量与压力施加影响来实现。
阴极流量的影响：随着阴极化学计量比（供给的气体量与产生给定电流所需气体量的比）的提高，电池的端电压得到了较大幅度的提高，出口水的摩尔分数呈现下降趋势，因此膜侧的水活度下降，导致膜中的水含量下降。由于质子交换膜的厚度很薄，而且均为饱和增湿，膜中的水传递几乎没有什么变化。这样，可以在不损害水管理性能的同时获得较高的电池功率。但是阴极流量即空气流量的增加会使空压机负荷增大，因此需要综合优化以获得最大系统效率。
阳极流量的影响：相对于阴极流量而言，阳极流量对电池电压的影响较小。在阳极饱和增湿的条件下，阳极流量的加大会使膜中水含量增大，电迁移作用的增强和膜中水含量梯度的减小导致膜中水的净传递系数进一步增大。同阴极流量相比，化学计量比对水传递的影响与其进口状态有更大关系。阴极即使在饱和增湿的条件下，增大流量仍然会存在膜失水，这是因为气体组分中大部分为惰性氮气。当阳极进口相对湿度为0时，随着阳极流量的加大，阳极出口相对湿度减小，强烈的反扩散导致水从阴极向阳极侧传递，PEM处于失水状态。
从阴极和阳极流量的分析中可以看出，增大阳极和阴极流量都可以有效地减小扩散层中的水摩尔分数，而采用较干的、大流量的阳极气流更为有效，同时阳极排水对电池反应的影响更小。
压力的影响：水在质子交换膜内的迁移可以用Nerst-Plank公式定量表达：
式中：nd-水的电迁移系数；Dm-水在膜中的扩散系数；Kp-水在膜中的渗透系数；μ-水在膜中的黏度；CW，m-膜中水浓度；I-电流密度；pm-膜两侧压力。
由该式可知，阴极室的工作压力高于阳极室工作压力，有利于水从膜的阴极侧向阳极侧传递，但这种压差不能过大，因为受到电池结构设计和膜的强度制约，同时若用空气作氧化剂，提高空气压力也增加了空压机的功耗。如果两极压力同时提高，则反应气浓度增加，电池端电压提高，同时，水蒸气的摩尔百分数减小，膜两侧的水活度呈现一个非线性变化的过程。膜中的净水传递系数随压力的升高逐渐减小，这是电迁移和浓差扩散相互作用的结果。
3．电池排水
PEMFC工作温度一般低于100℃，氧的电化学还原反应生成的水为液态水。生成的水可以通过两种方式排出，一种为气态排水，若反应气中水蒸气的分压未达到相应电池工作温度下的水蒸气分压时，水会气化，随电池排放的尾气排出；另一种为液态排水，此时反应气的相对湿度已达到100%，在电极催化层生成的液态水靠压差、重力等的推动，传递到扩散层气相侧，液态水滴由反应气夹带或吹扫出电池。一般情况下，这两种方式同时存在。
以空气作为氧化剂时，氧气传质比纯氧气作为氧化剂时更加困难，所以应尽可能增加气态排水份额，这样不但有利于减少扩散层内液态水量，有利于氧传质，而且还可以利用水蒸发潜热，减少电池排热负荷。
如果电池系统采用自增湿方式，排出的尾气需经过冷凝器收集一部分加湿所需要的水。冷凝回收水质量=系统所需水质量-电池堆内部凝结水质量。
二、热管理
燃料电池的效率一般在50%左右，即燃料电池对外输出功率和排出的热量是相等的，因此燃料电池发动机排出的热量很大，约为内燃机排出热量的2～3倍。由于质子交换膜对温度的敏感性，而且电池排热温度不高，因此对散热系统提出了很高的要求。热管理的主要任务是维持电池组稳定工作的温度。
热管理对采用燃料电池作为动力系统汽车的动力性、安全性和动力系统本身的寿命具有决定性影响。燃料电池汽车动力系统热管理，是从系统集成和整体的角度控制和优化燃料电池汽车的热量传递过程，将燃料电池发动机各子系统、蓄电池冷却系统等组成一个高效的热管理系统，合理地管理并利用热能，减少废热排放，提高能源利用效率，改善整个动力系统的性能和提高汽车的燃料经济性。
燃料电池发动机通常采用的排热方式为用超纯水做冷却液循环排热，热管理主要对系统参数（如冷却液的进出口温度和流量等）进行控制。将电池组工作温度控制在最佳范围内有两种方式：最优方式为随电池组输出功率的变化，改变冷却剂流量，将电池组工作温度控制在预置的区间内；另一种方式为固定冷却剂的流量，控制进出电池组冷却剂的温差变化。当采用后者时，应依据电池组在最大输出功率时的效率，计算冷却剂进出电池组的最大允许温差下冷却剂的最小流量，选用的冷却剂流量应大于这一值。为确保电池组温度分布的均匀性，进出口冷却液温差一般不超过10℃，最好为5℃。
目前一般的冷却液循环部分的设计为：电池堆的冷却液进出口处设置温度传感器，冷却风扇后设置一个水流量计。冷却液从电池堆出来后经散热器冷却后再次进入电池堆，其动力由冷却水泵提供。控制单元根据温度传感器和水流量计测到的信号来控制冷却水泵的流量和冷却风扇的转速，将冷却液的进口温度控制在70℃左右，出口温度控制在80℃左右，从而维持电池堆内部的热平衡，使电池堆高效、稳定运行。
热管理系统特性数值仿真的主要难点为关键部件、子系统建模和热管理系统集成动力学模型建模。由于燃料电池汽车动力系统为复杂通道、复杂边界条件、多热源和多目标的流体与热系统，系统计算分析十分复杂，目前国外在这方面的研究亦起步不久。
三、结语
本文将质子交换膜燃料电池发动机的水管理和热管理定义为对反应回路中所需水的管理控制和对冷却回路的管理控制，便于对电池系统水热管理系统的设计、分析和计算。其中水管理包括反应气加湿、质子交换膜内水传递的控制和电池排水。热管理的任务是通过控制冷却循环系统来保持电池堆的稳定工作温度。进行水热管理的目的在于提高燃料电池的运行效率、保障运行安全，但要提高燃料电池发动机系统的总体输出功率，还需针对具体的系统进行优化工作。
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