質子交換膜燃料電池堆冷卻系統研究進展

　　【摘要】溫度對質子交換膜(PEM)燃料電池的性能與壽命至關重要，綜述了近年來PEM燃料電池冷卻系統的設計與研究進展。研究表明：單相液體冷卻是最常見的大功率燃料電池堆冷卻方式，基于相變原理的新型冷卻方式展現出了巨大應用潛力;冷卻系統與其他系統或部件綜合集成管理有助于簡化系統結構和提高能量利用率;燃料電池作為非線性耦合系統，傳統控制策略很難使其在短時間內達到穩定，采用多種控制策略協同工作可實現更好的控制效果。

　　主題詞：燃料電池冷卻系統冷卻液能量管理控制策略

　　1前言

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

　　燃料論文范例：燃料能源循環利用設施故障探究

　　由于電池堆工作溫度較低，其與環境自然對流換熱、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造成其運行溫度過高及堆內的溫度梯度提升，導致膜的脫水、材料熱破壞和電池間性能差異變大。

　　此外，從能量利用角度來看，車載燃料電池冷卻系統釋放的熱量可用于進口氣體預熱、加濕及汽車乘員艙供暖等，冷卻系統熱量的回收利用對動力系統整體效率的提升有重要意義[5]。本文將對PEM燃料電池堆的冷卻方式、冷卻系統結構與部件、能量管理策略及冷卻系統控制策略和方法進行總結和分析，以期為PEM燃料電池堆冷卻系統的設計和運行提供參考。

　　2燃料電池系統熱量平衡

　　PEM燃料電池的工作原理為，氫氣和氧氣發生電化學反應生成水，同時產生電能和熱量：H2+1/2O2→H2OΔH=-285.8kJ/mol(1)式中，ΔH為反應焓。電池堆溫度狀況是產熱和散熱共同作用的結果，根據熱量平衡方程，燃料電池系統熱量平衡關系為[6]：CstMstdTst/dt=qgen-qdis(2)式中，Cst為電池堆比熱容;Mst為電池堆質量;Tst為電池堆溫度;t為時間;qgen、qdis分別為電池堆產熱速率和散熱速率。

　　為了簡化燃料電池堆產熱功率的計算，假設燃料電池中的化學能全部轉換為電能和熱能，則系統產熱速率為[7]：qgen=-ΔH·N(H2)-qelec(3)式中，N(H2)=NcellIst/(2F)為單位時間內反應消耗的氫氣的物質的量;qelec=VstIst[8]為有效電功率;Ncell為單電池數量;Ist為電池堆電流;F為法拉第常數;Vst為電池堆電壓。

　　3燃料電池堆的冷卻方式根據冷卻劑吸熱后是否發生相變，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種類型[3,13]，也是目前應用最為廣泛的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與陰極供氣系統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反應所需的反應物，同時也是冷卻系統的冷卻劑，因此，冷卻系統不再需要冷卻管路、水泵和散熱器，從而使系統的結構得到簡化，有助于減小燃料電池系統的體積，并降低成本[14]。

　　按照結構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反應，采用該結構的燃料電池堆在高溫低濕環境下容易造成膜的干燥，存在水熱耦合管理問題;b.電池之間附加冷卻板，針對冷卻空氣另外設計專用冷卻流道板，冷卻板位于陰、陽極板之間，冷卻空氣流過冷卻流道的同時帶走電池堆產生的熱量，這種結構能夠避免水熱耦合管理問題。

　　第1種結構中沒有冷卻劑，故陰、陽極物質流出帶走的熱量即為全部的散熱量;第2種結構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主要散熱量。空氣冷卻方式也存在明顯的缺點：a.空氣對流換熱系數低，因此需要較大的換熱面積，盡管可以通過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，因此導致的膜干燥會降低質子在膜內的傳輸能力，從而導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、出口空氣溫差大，反應區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用于小型燃料電池堆(額定功率≤5kW)，功率超過10kW的電池堆必須采用液體冷卻方式[3,17]。Lee等[18]提出了一種反應空氣與冷卻空氣分離的陰極變截面流道設計方案，如圖1所示，風扇吸入的空氣可以良好地分布在陰極流場，針對典型空氣冷卻燃料電池運行情況的三維計算流體力學(ComputationalFluidDynamics，CFD)模擬結果表明，其在干燥空氣供應條件下具有優良的保水能力。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電池堆內部的傳熱，結果表明，具有高有效導熱系數的均溫板有助于提高電池堆內部的溫度均勻性和極限電流密度，且電池堆最大溫差不會超過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冷卻、流動沸騰冷卻、熱管冷卻和相變材料冷卻[33-36]。

　　4冷卻系統結構與能量管理

　　燃料電池堆的散熱依靠冷卻系統具體的結構與部件完成，單相液體冷卻是目前大功率燃料電池堆最常見的冷卻方式，本文以單相液體冷卻為例對冷卻系統的結構與能量管理展開分析。

　　4.1基本結構與部件

　　目前，PEM燃料電池冷卻系統多采用單相液體冷卻方式，冷卻系統主要包含水泵、散熱器、節溫器、去離子器、膨脹水箱及冷卻管路等部件[49-50]。 水泵在冷卻系統中對冷卻液做功，驅使冷卻液循環，并實現冷卻液流量的控制。燃料電池堆有合適的工作溫度范圍，設置冷卻液進口溫度(可通過調整散熱器風扇轉速、節溫器開度等方式調控)后，水泵主要通過調整冷卻液的流量控制電池堆的出口溫度或者進、出口溫差，應在滿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境，以降低冷卻液的溫度。

　　雖然為滿足燃料電池堆溫度的均勻性，冷卻液進、出口溫差一般低于10℃，但是由于冷卻液與環境溫差較小，相比于內燃機冷卻液散熱器，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扇，車輛上散熱器的位置也需要進行合理的布置[4]。

　　4.2冷卻系統能量管理策略

　　PEM燃料電池熱管理就是對電池內熱量的生成與傳遞、溫度場分布和冷卻方式進行研究，包括如何使電池內部產生的熱量排到外部、保證在時間和空間上溫度均勻分布，避免過熱點的出現，并且為保證電池總效率較高，須使冷卻循環泵的功率損失最小化，即在增加熱交換能力的同時使壓力損失最小[53]。對于冷卻方式、冷卻液以及冷卻通道的設計，前文已經進行了較詳細的介紹。對于已有的電池堆結構和冷卻方式，如何通過制定冷卻系統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整體能耗是非常重要的設計目標，也是目前各大燃料電池系統總成和汽車制造商關注的重點[50]。

　　目前，車輛多采用獨立的燃料電池冷卻系統，但是燃料電池冷卻系統可以與車輛其他系統集成在一起，一方面是為了提高冷卻系統的散熱效率并實現多部件的冷卻，另一方面可以回收利用冷卻系統中的能量，提高系統整體效率，并簡化系統的結構。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，當空氣被壓縮機從100kPa壓縮到200kPa時，空氣的溫度(約180℃)遠高于PEM燃料電池堆的工作溫度[56]，壓縮后的空氣需要通過中冷器進行冷卻，以控制和保持空氣處于適當的溫度和濕度。

　　將中冷器集成到燃料電池冷卻系統，利用燃料電池冷卻系統中的冷卻液對來自空氣壓縮機的高溫空氣進行冷卻。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行調整，進而也要相應調整需要的冷卻液流量。當增大燃料電池堆功率時，控制單元獲取流量計監測到的空氣供給量變化，再控制水泵增加參與循環的冷卻水流量，同時控制節溫器2對流經燃料電池堆和中冷器的冷卻液流量進行調配，以保證對燃料電池堆的冷卻效果和控制進入電池堆的空氣溫度穩定。

　　5冷卻系統控制策略和方法

　　冷卻系統具體結構與部件是完成燃料電池堆散熱的物理基礎，為實現對工作溫度的準確控制，還需輔以合適的控制策略，使各部件能夠高效協同工作。

　　5.1PID控制

　　比例-積分-微分(PID)控制器作為一種線性控制器，算法簡單、魯棒性好、可靠性高，目前廣泛應用于PEM燃料電池溫度控制，但是存在響應速度慢、調節時間長的問題[67]。王斌銳等[68]設計了一種模糊增量PID溫度控制算法，針對100W風冷燃料電池開展試驗，實現了將溫度波動控制在±0.5℃范圍內，結果證明，模糊增量PID能夠滿足負載變化緩慢的電池堆溫度控制要求。一種補償積分分離PID控制算法，用于實現動態負荷下溫度的精準控制和冷啟動時的快速預熱控制。

　　6結束語

　　冷卻系統是質子交換膜(PEM)燃料電池堆高效、安全運行的重要保障。本文對PEM燃料電池堆的冷卻方式、冷卻系統的結構與部件、冷卻系統的能量管理策略以及控制策略和方法的研究和應用現狀進行了總結分析，主要結論如下：

　　a.空氣冷卻方式受限于空氣的比熱容和對流換熱系數低，主要應用于額定功率不超過10kW的小型燃料電池堆。液體冷卻是最常見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題，尚需更加深入的研究。蒸發冷卻、流動沸騰冷卻、熱管冷卻和相變材料冷卻等基于相變原理的冷卻方式展現出了巨大潛力，從試驗階段到實際應用，要解決的問題包括開發合適的冷卻介質及提高冷卻效果的穩定性與可控性。

　　b.單相液體冷卻系統主要包含水泵、散熱器、節溫器、去離子器、膨脹水箱及冷卻管路等部件。目前，車輛多采用獨立的燃料電池冷卻系統，結合車輛具體情況及工作環境，實現對燃料電池冷卻系統與中冷器、空調系統、冷啟動系統和余熱利用系統等的綜合管理，是燃料電池汽車熱管理領域當前的重要研究方向。c.常見的燃料電池冷卻系統控制策略包括比例積分-微分控制、模型預測控制、自適應控制、模糊控制，燃料電池冷卻系統是多輸入、多輸出的非線性系統，具體實施中各種控制策略都存在不足之處，有待研發新型協同控制策略實現對燃料電池堆溫度的高效控制。

　　參考文獻

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　　[4]夏明智,許思傳,李有才,等.燃料電池汽車散熱系統的設計[J].上海汽車,2007(12):3-5+10.

　　作者：秦彥周曹世博劉國坤劉艷紅劉玉文

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