质子交换膜燃料电池（以下简称PEMFC）的热管理问题一直是限制其商用化的巨大挑战。温度异常会使PEMFC的正常工作性能大大降低甚至损坏相关组件。PEMFC内部的电化学反应、气液两相流、电荷传输和质量传输过程都与热量传输紧密耦合，温度变化对各项反应活动都有影响。
PEMFC的效率通常在40%~60%之间，所以会有40%~60%的能量以热量的形式产生。与传统内燃机不同，PEMFC由反应气体带出的热量占其产热量的比重很低，因此大量（约98%）的热量都需要通过热管理系统散出。为了维持PEMFC内部温度的均匀性，稳定有效的热管理系统结构以及相应的控制策略必不可少。
燃料电池电堆的正常工作依赖于空气供应子系统、氢气供应子系统、水热管理子系统和DC/DC的协调配合，因此其功率输出响应比较滞后。但某些车用工况（如启停、急加速、爬坡）对功率输出的实时性要求很高，所以单一的PEMFC系统很难作为车用动力源。动力电池能够在功率需求高、变化幅度大的工况下弥补PEMFC无法满足的部分功率，同时还可以在功率需求急剧下降和制动时进行能量回收，大大弥补了单一PEMFC系统的不足。
1热管理子系统设计
1.1单堆PEMFC系统
PEMFC系统包括空气供应、氢气供应和热管理3个主要的子系统和电堆。典型的车用PEMFC系统功率等级都比较高，因此通常采用液体冷却的方式。对于单堆PEMFC系统的热管理问题，大多数研究都聚焦于电堆的冷却液回路。Cheng等对面向城市客车的PEMFC热管理子系统进行了研究，该系统只考虑了单电堆的冷却回路，利用水泵作为冷却液动力源，冷却液在电堆与散热器之间循环使用（图1）。
在PEMFC空气供应子系统中，经过空气压缩机压缩后的空气温度能够达到℃以上，因此压缩空气需要经过中冷器组进行降温后才能进入电堆内部参与反应。有研究人员针对中冷器的散热需求单独设立了冷却液回路，但是这样做会增加系统的复杂性。
在不同的单堆PEMFC热管理子系统结构中，不考虑节温器和中冷器的系统结构简单，有利于系统建模和控制器的开发，但是其无法完全满足PEMFC在冷启动过程中的需求，限制了其在系统中的应用。增设节温器但未考虑中冷器冷却需求的系统能够满足相关的工况需求，但是其需要为中冷器额外增设水泵，使得系统较为复杂，不利于系统结构的集成化；将节温器、中冷器都集中到1个热管理系统结构中不需要额外增设水泵，有利于系统的集成化，但是由于系统集成度较高，对控制器的算法开发提出了更高的要求。
1.2燃料电池混合系统
PEMFC的运作依赖于空气压缩机、加湿器、循环泵辅助部件的正常运作，这导致搭载PEMFC系统的车辆在极限恶劣工况时输出功率无法满足车辆的实时需求。因此，车用PEMFC系统常与动力电池配合，在合理的能量管理策略下，动力电池能够在车用工况过程中起到“削峰填谷”的作用，在弥补PEMFC功率不足的同时还可以进行多余的能量回收和为电子电器供电等功能。但是动力电池的引入也增加了系统的热源数目，在进行热管理系统设计时也需要保证动力电池的正常散热需求。
在进行热管理系统设计时也需要考虑动力系统中包括控制器、电动机和DC/DC等在内的部件散热需求。卢炽华等对整个PEMFC动力系统的热管理系统进行了设计与建模，采用了各自独立的回路结构对系统中多个热源进行散热，包括PEMFC电堆冷却回路、动力电池冷却回路、电驱动冷却回路和空压机冷却回路，不同回路的结构如图2所示，对不同的散热回路进行了建模与仿真分析，验证了各个冷却回路的散热能力。
1.3多堆PEMFC系统
单堆PEMFC系统的功率可以满足中小型乘用车的需求，但是不能满足大型乘用车和商用车的需求。多堆PEMFC系统具有更高的功率，并且能够提高系统的容错率，成为了PEMFC动力系统未来的发展方向。但是多堆PEMFC系统的热源数量再次增多，因此其热管理会变得更加困难。
多堆PEMFC系统的研究正处于起步阶段，对其热管理系统的研究工作也相对较少。多堆PEMFC系统的热管理子系统需要兼顾不同电堆的散热需求，Depature等提出了多堆PEMFC系统的串联和并联2种热管理系统结构，串联式热管理系统结构冷却液依次流经3个电堆，使得冷却液温度会在3个电堆中不断升高，需要协调整个回路上冷却液的温度，这给热管理带来了很大的困难，并联式热管理系统结构利用不同支路分配流经不同电堆的冷却液，这样只需要关
注电堆进出口冷却液温度即可，便于系统热管理方案的实施，2种结构如图3所示，2种热管理系统的结构都包含了大小循环。
多堆PEMFC串联式热管理系统的主冷却回路只有1个支路，因此结构较为简单，系统也更加集成化，但是在单个支路上有多个电堆使得系统的温度控制较为困难，尤其是当多个电堆的功率不同时，对于不同电堆的温度控制甚至无法完成，所以其应用前景较为有限。多堆PEMFC并联式热管理系统的主冷却回路存在多个支路，结构较为复杂，但是其能够在多电堆相互耦合的情况下达到对不同电堆温度单独控制的目的，有助于系统控制器的开发，具有良好的应用前景。
多堆PEMFC的热管理系统结构以单堆PEMFC热管理系统结构为基础。串联式多堆PEMFC热管理系统直接在单堆PEMFC热管理系统的主冷却回路上设置多个电堆。并联式PEMFC热管理系统在单堆PEM?FC热管理系统的主冷却回路上增设支路来满足多堆PEMFC热管理系统的冷却液要求。2种结构都使得原有系统更加复杂，在集成化和控制器的开发方面变得更加困难。因此多堆PEMFC热管理系统的结构集成和控制器的开发也是未来重要的研究方向。
2PEMFC系统的产热
整个燃料电池系统主要的产热源为燃料电池电堆和中冷器组。Xing等研究了车用PEMFC系统的散热需求，指出在整个PEMFC工作过程中，电堆的产热量对热管理系统提出的散热需求占整个系统的99%以上，而中冷器组的散热需求占比低于1%。所以针对于PEMFC系统的产热分析主要聚焦于电堆产热。
图4描述了PEMFC的组成部分以及内部反应机理。质子交换膜（ProtonExchangeMembrane，PEM）和两侧的催化层、气体扩散层以及双极板共同组成了1个PEMFC单体。氢气在阳极发生氧化反应分离成为电子和质子，氧气在阴极上发生还原反应并与质子和电子结合生成水，在化学反应的过程中伴随着能量和热量的释放。
PEMFC电堆内部的热量来源主要有电化学反应的熵热、不可逆反应热和电流产生的欧姆热，它们大致占总放热量的55%、35%和10%。
PEMFC中的不可逆热是由于化学反应中带电粒子克服过电位所产生的，阴极氧气的还原反应过电位较高使得不可逆热主要在阴极产生。2个电极上化学反应熵变的不平衡使得阴极的产热量更大，不利于维持PEMFC内部温度的均匀性。不可逆热是PEM?FC中最大热量来源，其对于电堆的温度分布和整个系统的热管理需求影响最大。
PEMFC在大功率运行工况下高电流密度所产生的欧姆热占比较大。欧姆热的产生与PEMFC内部各层的电阻和接触电阻有关，PEMFC的电阻由PEM的电阻所主导。随着PEM制造工艺的提升，大大降低了PEM的电阻，因此其它部分的电阻和接触电阻逐渐得到了
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