质子交换膜燃料电池发动机热管理研究

日期：2023-10-26 来源：汽车科技

国际氢能网

2023

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08:45

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关键词：质子交换膜燃料电池氢能技术

随着传统能源储量的不断减少及其利用方式所造成的环境污染的不断增加，人类必须尽快寻找开发替代传统能源的新能源。而被称为第四代发电技术的燃料电池发电，由于其发电效率高、无污染而倍受人们的重视。

燃料电池的种类较多，质子交换膜燃料电池（PEMFC）以低噪音、零污染、无腐蚀、长寿命的特点和电流大、工作温度低、比功率高、能量效率高、冷启动快、结构紧凑等优点称为国内外大力研究的新型动力源。PEMFC发动机时燃料电池汽车设计研究与开发的主要内容。热管理对PEMFC发动机的性能、寿命和运行安全具有决定性影响，是PEMFC发动机研究与开发的关键任务之一。

1 PEMFC热管理的重要性

PEMFC温度特性主要由其电解质-质子交换膜所决定的。由于目前多数PEMFC均采用Nafion系列膜作电解质，而这种电解质在温度超过80℃时，其热稳定性和质子传导性能将会严重下降，因而PEMFC的最佳工作温度为80℃左右。燃料电池的工作温度对其性能有十分显著的影响。如图1所示。

图1 温度和氧浓度对PEMFC性能的影响

电解质采用Dow公司的质子交换膜，工作压力为0.5MPa，Pt用量为0.45mg/cm2，工作温度分别为50℃和95℃。从图1可以看到，随着温度的升高，电压-电流密度曲线图上线性区的斜率（绝对值）是降低的，这意味着电池内阻的减小，这种减小主要归结于电极欧姆内阻的下降。结果表明，随着温度的升高，在相同电流密度条件下，燃料电池的工作电压随之增大，即燃料电池的功率增大。这是因为在高电流密度下，温度提高，物质的扩散过程和传递程度加快的缘故。因此温度对电堆性能有极大的影响，必须对它进行有效的控制。

2 PEMFC发动机热管理系统的设计及匹配计算

2.1 PEMFC发动机热管理系统的设计

PEMFC发动机热管理需要满足以下要求：

（1 控制温度范围。要使电堆能够高效、稳定运行，需将其工作温度控制在70-80℃之间，这是燃料电池的最佳工作温度范围。

（2）控制温度均匀水平。电堆内部要求各部分温度基本一致，以保证其工作性能。如为提高电堆内温度分布均匀，要求进出电堆的冷却水温差小于10℃，最好小于5℃。

（3 控制温度极限。系统的大部分部件都要求在极限温度以下工作，因此需要控制温度极限。若电堆局部温度高于100℃，膜将出现微孔，使空气系统有氢气，将会导致严重的安全事故。

为了满足上述要求，发动机热管理系统可以设计为如图2所示。

图2 PEMFC发动机热管理系统结构图

冷却水泵驱动冷却水循环，将电堆中的热量散出。冷却水循环分为大循环和小循环，大循环经过散热器，散热器风扇转动强制空气对流以及加强散热，小循环不经过散热器，大小循环由节温器根据水温自动调节。系统的执行器为冷却水泵和散热器风扇。冷却水泵由变频控制的三相交流电机驱动，散热器风扇由PWM控制的直流电机驱动。冷却水在系统内循环，将热量从燃料电池电堆处带到散热器处，由散热器散出。因此，冷却水泵的作用在于使系统内的温度分布趋于平衡，影响电堆冷却水进出口温差。由于燃料电池工作温度较低，系统处散热器以外部分的散热量很有限，散热器是最主要的散热渠道，当冷却水的流量大到足够将电堆的热量传递到散热器时，冷却水流量对电堆温度的影响将变得有限，影响电堆温度的关键因素是散热器的散热量；因此，在研究中，冷却水泵的控制命令保持不变，通过调节散热器的风扇风量来控制燃料电池电堆温度。

2.2 PEMFC发动机热管理系统的匹配计算

对PEMFC发动机热管理系统进行匹配计算，是散热器和循环泵选型的重要依据。本文是以武汉理工大学所设计的25KW燃料电池发动机为例进行散热量的计算。该发动机以氢气为燃料，以空气为氧化剂。

2.2.1 热量的来源

PEMFC的工作原理是将燃料（氢气）和氧化剂（氧气或空气）的化学能通过电化学反应直接转换成电能，同时消耗反应物，排出产物。释放能量，其中的化学反应为

H2+1/2 O2------H2O

电堆工作时，其热量主要来源于4个方面，化学反应热、焦耳热（来源于欧姆极化）、加湿气体带入的热量和吸收环境辐射热。加湿气体代入的热量及吸收环境的辐射热与化学反应热河焦耳热相比相对较小，可忽略不计。因此，燃料电池产生的废热为化学反应热与焦耳热之和△Q。

2.2.2 热量的散发渠道

燃料电池主要通过3种途径排出废热，即燃料电池自身的热辐射Qera、燃料电池内部水汽化散热△Qq和循环水带走热量Qcool，即△Q=△Qera+△Qq+△Qcool。当然，燃料电池反应气的进出会带入和带出一部分热量，但由于进气和出气温度相差不大，气体比热容较小，基本可以忽略不计。下面分别对3种途径进行计算。

（1）燃料电池自身的热辐射为：

△Qera=δσbAera（Tcell,out-Tstm）

式中，δ为电堆黑度；σb为斯蒂芬-波尔兹曼常数；Aera为电堆辐射面积；Tcell,out为电堆循环水出口温度，Tstm为环境温度。

代入参数δ=0.8，Aera=0.91m2，Tcell,out=63℃、Tstm=25℃可得辐射热为201W。

（2）燃料电池内部水汽化散热

假设全部汽化，水的汽化潜热γ为2256kJ/kg，计算公式△Qq=（m氧气+m氢气）γk/3600=（10.003+1.246）×2256/3600=7.05kw

显然，燃料电池反应生成的水不可能完全汽化。经过试验验证，汽化散热量不大于3kw。

（3）燃料电池循环水带走的热量

对于PEMFC发动机而言，发出25KW的电能，同时将产生大约等值的废热，因此，燃料电池的废热散失主要是依靠管理系统中的水循环散热，约占总量的90%左右。辐射散热和汽化散热占据份额不大。由于在设计中要留出散热裕量，故上式可简化为△Q=△Qcool。

2.2.3 电堆的热平衡

燃料电池在正常工作的时候，保持电堆的热平衡是必要的，而本文的电池的热平衡主要取决于水泵和散热器的控制与电池运行工况的匹配。

首先，根据上文的分析选定散热器，笔者设计的25KW燃料电池发动机散热系统选用两个2.0L排量轿车用散热器（相关参数见表1），并将两个散热器采用并联的连接方式。

表1 2.0L排量轿车用散热器相关参数

本文首先确定水泵提供的流量，根据设计要求，为保持进、出电堆的循环水温差为△T=5℃（已知水的比热Cw=4.1868kJ/(kg·℃)，水的密度ρ=1000kg/m3），根据公式：△Qcool=CwVwρ△T即可求出冷却水的体积流量V’w=71.7L/min。然而，考虑到电堆的实际工作情况，需要留出一定的裕量，故取Vw=1.2，Vw’=86L/min。

冷却空气将冷却水传给散热器的热量带走，进入电堆的循环水温不能超过质子交换膜的最佳工作温度，因此必须对散热器风扇进行控制。根据公式有：

Qcool=CaρaVa△ta

式中，Ca为空气的比热，可取Ca=1.047kJ/(kg·℃)；ρa为空气的密度，一般ρa=1.01kg/m3；Va为进入散热器冷却空气的流量，等于风速与散热器正面面积之积，因此风扇也应供给足够的空气，△ta为空气进入散热器以前和通过散热器以后的温度差，△ta=Tair,Out-Tatm。

由上述可知散热器散热量与空气流量和温差成正比，即：

Qrad=KradArad（Trad- Tair）

式中，Krad为散热器传热系数，由工程拟定；Arad为散热器的散热面积；Trad 为散热器中冷却平均温度，用进口温度Trad,in和出口温度Trad,out的算术平均值表示；Tair为冷却控制的平均温度，用环境温度Tatm和散热器冷却空气出口温度Tair,out的算术平均值表示。

其中，Krad主要与散热器的芯部结构材料、水管中冷却水的流速、通过散热器的空气流量相关。

3 PEMFC发动机温度控制

PEMFC发动机的温度控制一般是根据研究人员的试验设定的，这种经验控制方法既浪费能源又达不到良好的控制质量。对于对象特性的数学模型和控制参数不易精确确定的PEMFC发动机温度控制，可以采用模糊推理控制。模糊推理控制由模糊化、模糊推理和反模糊化和规则知识库四个部分组成。模糊化完成对系统变量论域的模糊划分和对确定输入值的模糊化处理。模糊推理是模糊控制的核心，它实质上是一种从输入空间到输出空间的非线性映射关系。反模糊化是将模糊推理推出的模糊的控制结果最后转化为确定的控制量输出值。规格知识库是模糊控制的重要部分，它用来存储系统的基于语言变量的控制规则和系统参数。模糊推理控制可以说是一种专家系统，其鲁棒性较强，特别适用于非线性、时变、滞后、耦合系统的控制。

本文建立的PEMFC发动机温度模糊控制系统，是运用多变量模糊推理理论，结合PEMFC发动机的试验数据，建立风速（或风扇转速）基本规则，构成控制经验知识库。利用本模型进行控制算法研究，只需对该模块的控制算法进行修改，通过仿真验证控制算法的有效性，模型中采用了控制的目标温度和实际的输出温度作为输入量，经过处理，分别生成误差信号和控制对象的变化率。经过模糊控制计算处理后，输出冷却风扇的开度信号。输出的Terror信号为实际温度和目标温度的误差，用于观测。

试验中，电堆的最佳工作温度为63℃，电流的加载采用阶梯递增的方式，20A以下，每半分钟增加5A电流，20~140A，每半分钟增加10A电流，超过140A，每半分钟增加5A电流，当电流达到150A时，保持电流值在150A稳定一段时间。

采用模糊控制后的电堆温度与试验控制后的电堆温度比较（见图3），可以看出，试验结果吻合良好，证明控制方法有效。