质子交换膜燃料电池堆冷却系统研究进展

　　【摘要】温度对质子交换膜(PEM)燃料电池的性能与寿命至关重要，综述了近年来PEM燃料电池冷却系统的设计与研究进展。研究表明：单相液体冷却是最常见的大功率燃料电池堆冷却方式，基于相变原理的新型冷却方式展现出了巨大应用潜力;冷却系统与其他系统或部件综合集成管理有助于简化系统结构和提高能量利用率;燃料电池作为非线性耦合系统，传统控制策略很难使其在短时间内达到稳定，采用多种控制策略协同工作可实现更好的控制效果。

　　主题词：燃料电池冷却系统冷却液能量管理控制策略

　　1前言

　　质子交换膜(ProtonExchangeMembrane，PEM)燃料电池具有功率密度高、无污染、低噪声等特点，是电动汽车的理想动力源[1]。PEM燃料电池堆在正常功率密度条件下运行时，其能量转化效率通常只能达到40%~60%，未转化为电能的能量需要以热量的形式散发，以维持电池堆热平衡[2-3]。

　　燃料论文范例：燃料能源循环利用设施故障探究

　　由于电池堆工作温度较低，其与环境自然对流换热、辐射换热以及电池堆出口气体带走的热量均较少，一般可以忽略，因此，电池堆热平衡主要由冷却剂带走的热量决定[4]。电池堆冷却不充分会造成其运行温度过高及堆内的温度梯度提升，导致膜的脱水、材料热破坏和电池间性能差异变大。

　　此外，从能量利用角度来看，车载燃料电池冷却系统释放的热量可用于进口气体预热、加湿及汽车乘员舱供暖等，冷却系统热量的回收利用对动力系统整体效率的提升有重要意义[5]。本文将对PEM燃料电池堆的冷却方式、冷却系统结构与部件、能量管理策略及冷却系统控制策略和方法进行总结和分析，以期为PEM燃料电池堆冷却系统的设计和运行提供参考。

　　2燃料电池系统热量平衡

　　PEM燃料电池的工作原理为，氢气和氧气发生电化学反应生成水，同时产生电能和热量：H2+1/2O2→H2OΔH=-285.8kJ/mol(1)式中，ΔH为反应焓。电池堆温度状况是产热和散热共同作用的结果，根据热量平衡方程，燃料电池系统热量平衡关系为[6]：CstMstdTst/dt=qgen-qdis(2)式中，Cst为电池堆比热容;Mst为电池堆质量;Tst为电池堆温度;t为时间;qgen、qdis分别为电池堆产热速率和散热速率。

　　为了简化燃料电池堆产热功率的计算，假设燃料电池中的化学能全部转换为电能和热能，则系统产热速率为[7]：qgen=-ΔH·N(H2)-qelec(3)式中，N(H2)=NcellIst/(2F)为单位时间内反应消耗的氢气的物质的量;qelec=VstIst[8]为有效电功率;Ncell为单电池数量;Ist为电池堆电流;F为法拉第常数;Vst为电池堆电压。

　　3燃料电池堆的冷却方式根据冷却剂吸热后是否发生相变，燃料电池堆的冷却方式大体可分为单相冷却和相变冷却[13]2种方式。

　　3.1单相冷却方式

　　PEM燃料电池的单相冷却方式主要包括空气冷却和液体冷却2种类型[3,13]，也是目前应用最为广泛的2种冷却方式。单相冷却方式的冷却剂散热功率为：qcool=mcoolCp(Tst-Tst,in)(7)式中，mcool为冷却剂质量流量;Cp为冷却剂比热容;Tst,in为电池堆冷却剂入口温度。

　　3.1.1空气冷却

　　空气冷却是将冷却系统与阴极供气系统集成在一起的冷却方式，阴极通入的空气不仅是燃料电池电化学反应所需的反应物，同时也是冷却系统的冷却剂，因此，冷却系统不再需要冷却管路、水泵和散热器，从而使系统的结构得到简化，有助于减小燃料电池系统的体积，并降低成本[14]。

　　按照结构可将空气冷却型燃料电池堆划分为2种[15-16]：a.用于参加反应的空气和用于冷却的空气共用阴极流道，通入阴极的大量空气中只有小部分参与燃料电池的电化学反应，采用该结构的燃料电池堆在高温低湿环境下容易造成膜的干燥，存在水热耦合管理问题;b.电池之间附加冷却板，针对冷却空气另外设计专用冷却流道板，冷却板位于阴、阳极板之间，冷却空气流过冷却流道的同时带走电池堆产生的热量，这种结构能够避免水热耦合管理问题。

　　第1种结构中没有冷却剂，故阴、阳极物质流出带走的热量即为全部的散热量;第2种结构中冷却流道中的冷却空气即为冷却剂，且冷却空气散热占据主要散热量。空气冷却方式也存在明显的缺点：a.空气对流换热系数低，因此需要较大的换热面积，尽管可以通过提高空气流速提升冷却效果，但是空气流速越高，PEM中的水流失越多，因此导致的膜干燥会降低质子在膜内的传输能力，从而导致燃料电池的欧姆电阻升高，输出性能变差[13];b.空气比热低，冷却流道进、出口空气温差大，反应区域的温度分布不均匀，各处含水量差别大，局部电流密度分布也不均匀，影响燃料电池的整体性能[11]。

　　因此，目前空气冷却主要应用于小型燃料电池堆(额定功率≤5kW)，功率超过10kW的电池堆必须采用液体冷却方式[3,17]。Lee等[18]提出了一种反应空气与冷却空气分离的阴极变截面流道设计方案，如图1所示，风扇吸入的空气可以良好地分布在阴极流场，针对典型空气冷却燃料电池运行情况的三维计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)模拟结果表明，其在干燥空气供应条件下具有优良的保水能力。Zhao等[19]将均温板作为散热器整合到空气冷却PEM燃料电池堆中以促进电池堆内部的传热，结果表明，具有高有效导热系数的均温板有助于提高电池堆内部的温度均匀性和极限电流密度，且电池堆最大温差不会超过6℃。

　　3.2相变冷却方式

　　PEM燃料电池常用的相变冷却方式包括蒸发冷却、流动沸腾冷却、热管冷却和相变材料冷却[33-36]。

　　4冷却系统结构与能量管理

　　燃料电池堆的散热依靠冷却系统具体的结构与部件完成，单相液体冷却是目前大功率燃料电池堆最常见的冷却方式，本文以单相液体冷却为例对冷却系统的结构与能量管理展开分析。

　　4.1基本结构与部件

　　目前，PEM燃料电池冷却系统多采用单相液体冷却方式，冷却系统主要包含水泵、散热器、节温器、去离子器、膨胀水箱及冷却管路等部件[49-50]。 水泵在冷却系统中对冷却液做功，驱使冷却液循环，并实现冷却液流量的控制。燃料电池堆有合适的工作温度范围，设置冷却液进口温度(可通过调整散热器风扇转速、节温器开度等方式调控)后，水泵主要通过调整冷却液的流量控制电池堆的出口温度或者进、出口温差，应在满足电池堆温差要求的情况下，选取较小的冷却液流量以降低泵的功率损失。散热器将冷却液的热量传递给环境，以降低冷却液的温度。

　　虽然为满足燃料电池堆温度的均匀性，冷却液进、出口温差一般低于10℃，但是由于冷却液与环境温差较小，相比于内燃机冷却液散热器，燃料电池在散热方面的要求更高。通常，为增强散热效果，燃料电池的散热器需要采用更大的散热面积和更大功率的风扇，车辆上散热器的位置也需要进行合理的布置[4]。

　　4.2冷却系统能量管理策略

　　PEM燃料电池热管理就是对电池内热量的生成与传递、温度场分布和冷却方式进行研究，包括如何使电池内部产生的热量排到外部、保证在时间和空间上温度均匀分布，避免过热点的出现，并且为保证电池总效率较高，须使冷却循环泵的功率损失最小化，即在增加热交换能力的同时使压力损失最小[53]。对于冷却方式、冷却液以及冷却通道的设计，前文已经进行了较详细的介绍。对于已有的电池堆结构和冷却方式，如何通过制定冷却系统的工作方式和能量管理策略以提高电池堆冷却效果和降低系统整体能耗是非常重要的设计目标，也是目前各大燃料电池系统总成和汽车制造商关注的重点[50]。

　　目前，车辆多采用独立的燃料电池冷却系统，但是燃料电池冷却系统可以与车辆其他系统集成在一起，一方面是为了提高冷却系统的散热效率并实现多部件的冷却，另一方面可以回收利用冷却系统中的能量，提高系统整体效率，并简化系统的结构。PEM燃料电池为了获得更高的性能，通常向阴极提供压力为200~300kPa的空气，当空气被压缩机从100kPa压缩到200kPa时，空气的温度(约180℃)远高于PEM燃料电池堆的工作温度[56]，压缩后的空气需要通过中冷器进行冷却，以控制和保持空气处于适当的温度和湿度。

　　将中冷器集成到燃料电池冷却系统，利用燃料电池冷却系统中的冷却液对来自空气压缩机的高温空气进行冷却。在不同工作功率下，燃料电池堆所需要供给的空气量需要进行调整，进而也要相应调整需要的冷却液流量。当增大燃料电池堆功率时，控制单元获取流量计监测到的空气供给量变化，再控制水泵增加参与循环的冷却水流量，同时控制节温器2对流经燃料电池堆和中冷器的冷却液流量进行调配，以保证对燃料电池堆的冷却效果和控制进入电池堆的空气温度稳定。

　　5冷却系统控制策略和方法

　　冷却系统具体结构与部件是完成燃料电池堆散热的物理基础，为实现对工作温度的准确控制，还需辅以合适的控制策略，使各部件能够高效协同工作。

　　5.1PID控制

　　比例-积分-微分(PID)控制器作为一种线性控制器，算法简单、鲁棒性好、可靠性高，目前广泛应用于PEM燃料电池温度控制，但是存在响应速度慢、调节时间长的问题[67]。王斌锐等[68]设计了一种模糊增量PID温度控制算法，针对100W风冷燃料电池开展试验，实现了将温度波动控制在±0.5℃范围内，结果证明，模糊增量PID能够满足负载变化缓慢的电池堆温度控制要求。一种补偿积分分离PID控制算法，用于实现动态负荷下温度的精准控制和冷启动时的快速预热控制。

　　6结束语

　　冷却系统是质子交换膜(PEM)燃料电池堆高效、安全运行的重要保障。本文对PEM燃料电池堆的冷却方式、冷却系统的结构与部件、冷却系统的能量管理策略以及控制策略和方法的研究和应用现状进行了总结分析，主要结论如下：

　　a.空气冷却方式受限于空气的比热容和对流换热系数低，主要应用于额定功率不超过10kW的小型燃料电池堆。液体冷却是最常见的大功率燃料电池堆冷却方式，去离子水和去离子水与乙二醇的混合物是2种应用成熟的冷却剂，纳米流体目前还存在颗粒沉积和冷却液漏电的问题，尚需更加深入的研究。蒸发冷却、流动沸腾冷却、热管冷却和相变材料冷却等基于相变原理的冷却方式展现出了巨大潜力，从试验阶段到实际应用，要解决的问题包括开发合适的冷却介质及提高冷却效果的稳定性与可控性。

　　b.单相液体冷却系统主要包含水泵、散热器、节温器、去离子器、膨胀水箱及冷却管路等部件。目前，车辆多采用独立的燃料电池冷却系统，结合车辆具体情况及工作环境，实现对燃料电池冷却系统与中冷器、空调系统、冷启动系统和余热利用系统等的综合管理，是燃料电池汽车热管理领域当前的重要研究方向。c.常见的燃料电池冷却系统控制策略包括比例积分-微分控制、模型预测控制、自适应控制、模糊控制，燃料电池冷却系统是多输入、多输出的非线性系统，具体实施中各种控制策略都存在不足之处，有待研发新型协同控制策略实现对燃料电池堆温度的高效控制。

　　参考文献

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　　[4]夏明智,许思传,李有才,等.燃料电池汽车散热系统的设计[J].上海汽车,2007(12):3-5+10.

　　作者：秦彦周曹世博刘国坤刘艳红刘玉文

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