質(zhì)子交換膜燃料電池堆冷卻系統(tǒng)研究進(jìn)展

　　【摘要】溫度對(duì)質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池的性能與壽命至關(guān)重要，綜述了近年來(lái)PEM燃料電池冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究進(jìn)展。研究表明：?jiǎn)蜗嘁后w冷卻是最常見(jiàn)的大功率燃料電池堆冷卻方式，基于相變?cè)�理的新型冷卻方式展現(xiàn)出了巨大應(yīng)用潛力;冷卻系統(tǒng)與其他系統(tǒng)或部件綜合集成管理有助于簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和提高能量利用率;燃料電池作為非線性耦合系統(tǒng)，傳統(tǒng)控制策略很難使其在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，采用多種控制策略協(xié)同工作可實(shí)現(xiàn)更好的控制效果。

　　主題詞：燃料電池冷卻系統(tǒng)冷卻液能量管理控制策略

　　1前言

　　質(zhì)子交換膜(ProtonExchangeMembrane，PEM)燃料電池具有功率密度高、無(wú)污染、低噪聲等特點(diǎn)，是電動(dòng)汽車(chē)的理想動(dòng)力源[1]。PEM燃料電池堆在正常功率密度條件下運(yùn)行時(shí)，其能量轉(zhuǎn)化效率通常只能達(dá)到40%~60%，未轉(zhuǎn)化為電能的能量需要以熱量的形式散發(fā)，以維持電池堆熱平衡[2-3]。

　　燃料論文范例：燃料能源循環(huán)利用設(shè)施故障探究

　　由于電池堆工作溫度較低，其與環(huán)境自然對(duì)流換熱、輻射換熱以及電池堆出口氣體帶走的熱量均較少，一般可以忽略，因此，電池堆熱平衡主要由冷卻劑帶走的熱量決定[4]。電池堆冷卻不充分會(huì)造成其運(yùn)行溫度過(guò)高及堆內(nèi)的溫度梯度提升，導(dǎo)致膜的脫水、材料熱破壞和電池間性能差異變大。

　　此外，從能量利用角度來(lái)看，車(chē)載燃料電池冷卻系統(tǒng)釋放的熱量可用于進(jìn)口氣體預(yù)熱、加濕及汽車(chē)乘員艙供暖等，冷卻系統(tǒng)熱量的回收利用對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)整體效率的提升有重要意義[5]。本文將對(duì)PEM燃料電池堆的冷卻方式、冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與部件、能量管理策略及冷卻系統(tǒng)控制策略和方法進(jìn)行總結(jié)和分析，以期為PEM燃料電池堆冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。

　　2燃料電池系統(tǒng)熱量平衡

　　PEM燃料電池的工作原理為，氫氣和氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成水，同時(shí)產(chǎn)生電能和熱量：H2+1/2O2→H2OΔH=-285.8kJ/mol(1)式中，ΔH為反應(yīng)焓。電池堆溫度狀況是產(chǎn)熱和散熱共同作用的結(jié)果，根據(jù)熱量平衡方程，燃料電池系統(tǒng)熱量平衡關(guān)系為[6]：CstMstdTst/dt=qgen-qdis(2)式中，Cst為電池堆比熱容;Mst為電池堆質(zhì)量;Tst為電池堆溫度;t為時(shí)間;qgen、qdis分別為電池堆產(chǎn)熱速率和散熱速率。

　　為了簡(jiǎn)化燃料電池堆產(chǎn)熱功率的計(jì)算，假設(shè)燃料電池中的化學(xué)能全部轉(zhuǎn)換為電能和熱能，則系統(tǒng)產(chǎn)熱速率為[7]：qgen=-ΔH·N(H2)-qelec(3)式中，N(H2)=NcellIst/(2F)為單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)消耗的氫氣的物質(zhì)的量;qelec=VstIst[8]為有效電功率;Ncell為單電池?cái)?shù)量;Ist為電池堆電流;F為法拉第常數(shù);Vst為電池堆電壓。

　　3燃料電池堆的冷卻方式根據(jù)冷卻劑吸熱后是否發(fā)生相變，燃料電池堆的冷卻方式大體可分為單相冷卻和相變冷卻[13]2種方式。

　　3.1單相冷卻方式

　　PEM燃料電池的單相冷卻方式主要包括空氣冷卻和液體冷卻2種類(lèi)型[3,13]，也是目前應(yīng)用最為廣泛的2種冷卻方式。單相冷卻方式的冷卻劑散熱功率為：qcool=mcoolCp(Tst-Tst,in)(7)式中，mcool為冷卻劑質(zhì)量流量;Cp為冷卻劑比熱容;Tst,in為電池堆冷卻劑入口溫度。

　　3.1.1空氣冷卻

　　空氣冷卻是將冷卻系統(tǒng)與陰極供氣系統(tǒng)集成在一起的冷卻方式，陰極通入的空氣不僅是燃料電池電化學(xué)反應(yīng)所需的反應(yīng)物，同時(shí)也是冷卻系統(tǒng)的冷卻劑，因此，冷卻系統(tǒng)不再需要冷卻管路、水泵和散熱器，從而使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，有助于減小燃料電池系統(tǒng)的體積，并降低成本[14]。

　　按照結(jié)構(gòu)可將空氣冷卻型燃料電池堆劃分為2種[15-16]：a.用于參加反應(yīng)的空氣和用于冷卻的空氣共用陰極流道，通入陰極的大量空氣中只有小部分參與燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)，采用該結(jié)構(gòu)的燃料電池堆在高溫低濕環(huán)境下容易造成膜的干燥，存在水熱耦合管理問(wèn)題;b.電池之間附加冷卻板，針對(duì)冷卻空氣另外設(shè)計(jì)專(zhuān)用冷卻流道板，冷卻板位于陰、陽(yáng)極板之間，冷卻空氣流過(guò)冷卻流道的同時(shí)帶走電池堆產(chǎn)生的熱量，這種結(jié)構(gòu)能夠避免水熱耦合管理問(wèn)題。

　　第1種結(jié)構(gòu)中沒(méi)有冷卻劑，故陰、陽(yáng)極物質(zhì)流出帶走的熱量即為全部的散熱量;第2種結(jié)構(gòu)中冷卻流道中的冷卻空氣即為冷卻劑，且冷卻空氣散熱占據(jù)主要散熱量�？諝饫鋮s方式也存在明顯的缺點(diǎn)：a.空氣對(duì)流換熱系數(shù)低，因此需要較大的換熱面積，盡管可以通過(guò)提高空氣流速提升冷卻效果，但是空氣流速越高，PEM中的水流失越多，因此導(dǎo)致的膜干燥會(huì)降低質(zhì)子在膜內(nèi)的傳輸能力，從而導(dǎo)致燃料電池的歐姆電阻升高，輸出性能變差[13];b.空氣比熱低，冷卻流道進(jìn)、出口空氣溫差大，反應(yīng)區(qū)域的溫度分布不均勻，各處含水量差別大，局部電流密度分布也不均勻，影響燃料電池的整體性能[11]。

　　因此，目前空氣冷卻主要應(yīng)用于小型燃料電池堆(額定功率≤5kW)，功率超過(guò)10kW的電池堆必須采用液體冷卻方式[3,17]。Lee等[18]提出了一種反應(yīng)空氣與冷卻空氣分離的陰極變截面流道設(shè)計(jì)方案，如圖1所示，風(fēng)扇吸入的空氣可以良好地分布在陰極流場(chǎng)，針對(duì)典型空氣冷卻燃料電池運(yùn)行情況的三維計(jì)算流體力學(xué)(ComputationalFluidDynamics，CFD)模擬結(jié)果表明，其在干燥空氣供應(yīng)條件下具有優(yōu)良的保水能力。Zhao等[19]將均溫板作為散熱器整合到空氣冷卻PEM燃料電池堆中以促進(jìn)電池堆內(nèi)部的傳熱，結(jié)果表明，具有高有效導(dǎo)熱系數(shù)的均溫板有助于提高電池堆內(nèi)部的溫度均勻性和極限電流密度，且電池堆最大溫差不會(huì)超過(guò)6℃。

　　3.2相變冷卻方式

　　PEM燃料電池常用的相變冷卻方式包括蒸發(fā)冷卻、流動(dòng)沸騰冷卻、熱管冷卻和相變材料冷卻[33-36]。

　　4冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與能量管理

　　燃料電池堆的散熱依靠冷卻系統(tǒng)具體的結(jié)構(gòu)與部件完成，單相液體冷卻是目前大功率燃料電池堆最常見(jiàn)的冷卻方式，本文以單相液體冷卻為例對(duì)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與能量管理展開(kāi)分析。

　　4.1基本結(jié)構(gòu)與部件

　　目前，PEM燃料電池冷卻系統(tǒng)多采用單相液體冷卻方式，冷卻系統(tǒng)主要包含水泵、散熱器、節(jié)溫器、去離子器、膨脹水箱及冷卻管路等部件[49-50]。 水泵在冷卻系統(tǒng)中對(duì)冷卻液做功，驅(qū)使冷卻液循環(huán)，并實(shí)現(xiàn)冷卻液流量的控制。燃料電池堆有合適的工作溫度范圍，設(shè)置冷卻液進(jìn)口溫度(可通過(guò)調(diào)整散熱器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、節(jié)溫器開(kāi)度等方式調(diào)控)后，水泵主要通過(guò)調(diào)整冷卻液的流量控制電池堆的出口溫度或者進(jìn)、出口溫差，應(yīng)在滿(mǎn)足電池堆溫差要求的情況下，選取較小的冷卻液流量以降低泵的功率損失。散熱器將冷卻液的熱量傳遞給環(huán)境，以降低冷卻液的溫度。

　　雖然為滿(mǎn)足燃料電池堆溫度的均勻性，冷卻液進(jìn)、出口溫差一般低于10℃，但是由于冷卻液與環(huán)境溫差較小，相比于內(nèi)燃機(jī)冷卻液散熱器，燃料電池在散熱方面的要求更高。通常，為增強(qiáng)散熱效果，燃料電池的散熱器需要采用更大的散熱面積和更大功率的風(fēng)扇，車(chē)輛上散熱器的位置也需要進(jìn)行合理的布置[4]。

　　4.2冷卻系統(tǒng)能量管理策略

　　PEM燃料電池?zé)峁芾砭褪菍?duì)電池內(nèi)熱量的生成與傳遞、溫度場(chǎng)分布和冷卻方式進(jìn)行研究，包括如何使電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量排到外部、保證在時(shí)間和空間上溫度均勻分布，避免過(guò)熱點(diǎn)的出現(xiàn)，并且為保證電池總效率較高，須使冷卻循環(huán)泵的功率損失最小化，即在增加熱交換能力的同時(shí)使壓力損失最小[53]。對(duì)于冷卻方式、冷卻液以及冷卻通道的設(shè)計(jì)，前文已經(jīng)進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹。對(duì)于已有的電池堆結(jié)構(gòu)和冷卻方式，如何通過(guò)制定冷卻系統(tǒng)的工作方式和能量管理策略以提高電池堆冷卻效果和降低系統(tǒng)整體能耗是非常重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)，也是目前各大燃料電池系統(tǒng)總成和汽車(chē)制造商關(guān)注的重點(diǎn)[50]。

　　目前，車(chē)輛多采用獨(dú)立的燃料電池冷卻系統(tǒng)，但是燃料電池冷卻系統(tǒng)可以與車(chē)輛其他系統(tǒng)集成在一起，一方面是為了提高冷卻系統(tǒng)的散熱效率并實(shí)現(xiàn)多部件的冷卻，另一方面可以回收利用冷卻系統(tǒng)中的能量，提高系統(tǒng)整體效率，并簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。PEM燃料電池為了獲得更高的性能，通常向陰極提供壓力為200~300kPa的空氣，當(dāng)空氣被壓縮機(jī)從100kPa壓縮到200kPa時(shí)，空氣的溫度(約180℃)遠(yuǎn)高于PEM燃料電池堆的工作溫度[56]，壓縮后的空氣需要通過(guò)中冷器進(jìn)行冷卻，以控制和保持空氣處于適當(dāng)?shù)臏囟群蜐穸取?/p>

　　將中冷器集成到燃料電池冷卻系統(tǒng)，利用燃料電池冷卻系統(tǒng)中的冷卻液對(duì)來(lái)自空氣壓縮機(jī)的高溫空氣進(jìn)行冷卻。在不同工作功率下，燃料電池堆所需要供給的空氣量需要進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而也要相應(yīng)調(diào)整需要的冷卻液流量。當(dāng)增大燃料電池堆功率時(shí)，控制單元獲取流量計(jì)監(jiān)測(cè)到的空氣供給量變化，再控制水泵增加參與循環(huán)的冷卻水流量，同時(shí)控制節(jié)溫器2對(duì)流經(jīng)燃料電池堆和中冷器的冷卻液流量進(jìn)行調(diào)配，以保證對(duì)燃料電池堆的冷卻效果和控制進(jìn)入電池堆的空氣溫度穩(wěn)定。

　　5冷卻系統(tǒng)控制策略和方法

　　冷卻系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)與部件是完成燃料電池堆散熱的物理基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)工作溫度的準(zhǔn)確控制，還需輔以合適的控制策略，使各部件能夠高效協(xié)同工作。

　　5.1PID控制

　　比例-積分-微分(PID)控制器作為一種線性控制器，算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高，目前廣泛應(yīng)用于PEM燃料電池溫度控制，但是存在響應(yīng)速度慢、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題[67]。王斌銳等[68]設(shè)計(jì)了一種模糊增量PID溫度控制算法，針對(duì)100W風(fēng)冷燃料電池開(kāi)展試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了將溫度波動(dòng)控制在±0.5℃范圍內(nèi)，結(jié)果證明，模糊增量PID能夠滿(mǎn)足負(fù)載變化緩慢的電池堆溫度控制要求。一種補(bǔ)償積分分離PID控制算法，用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)荷下溫度的精準(zhǔn)控制和冷啟動(dòng)時(shí)的快速預(yù)熱控制。

　　6結(jié)束語(yǔ)

　　冷卻系統(tǒng)是質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池堆高效、安全運(yùn)行的重要保障。本文對(duì)PEM燃料電池堆的冷卻方式、冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與部件、冷卻系統(tǒng)的能量管理策略以及控制策略和方法的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)分析，主要結(jié)論如下：

　　a.空氣冷卻方式受限于空氣的比熱容和對(duì)流換熱系數(shù)低，主要應(yīng)用于額定功率不超過(guò)10kW的小型燃料電池堆。液體冷卻是最常見(jiàn)的大功率燃料電池堆冷卻方式，去離子水和去離子水與乙二醇的混合物是2種應(yīng)用成熟的冷卻劑，納米流體目前還存在顆粒沉積和冷卻液漏電的問(wèn)題，尚需更加深入的研究。蒸發(fā)冷卻、流動(dòng)沸騰冷卻、熱管冷卻和相變材料冷卻等基于相變?cè)�理的冷卻方式展現(xiàn)出了巨大潛力，從試驗(yàn)階段到實(shí)際應(yīng)用，要解決的問(wèn)題包括開(kāi)發(fā)合適的冷卻介質(zhì)及提高冷卻效果的穩(wěn)定性與可控性。

　　b.單相液體冷卻系統(tǒng)主要包含水泵、散熱器、節(jié)溫器、去離子器、膨脹水箱及冷卻管路等部件。目前，車(chē)輛多采用獨(dú)立的燃料電池冷卻系統(tǒng)，結(jié)合車(chē)輛具體情況及工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池冷卻系統(tǒng)與中冷器、空調(diào)系統(tǒng)、冷啟動(dòng)系統(tǒng)和余熱利用系統(tǒng)等的綜合管理，是燃料電池汽車(chē)熱管理領(lǐng)域當(dāng)前的重要研究方向。c.常見(jiàn)的燃料電池冷卻系統(tǒng)控制策略包括比例積分-微分控制、模型預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制，燃料電池冷卻系統(tǒng)是多輸入、多輸出的非線性系統(tǒng)，具體實(shí)施中各種控制策略都存在不足之處，有待研發(fā)新型協(xié)同控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池堆溫度的高效控制。

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　　作者：秦彥周曹世博劉國(guó)坤劉艷紅劉玉文

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