秦彥周 曹世博 劉國(guó)坤 劉艷紅 劉玉文

（天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350）

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（Proton Exchange Membrane，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]。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：

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]：

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]：

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。

燃料電池系統(tǒng)的散熱途徑包括物質(zhì)進(jìn)出系統(tǒng)導(dǎo)致的散熱、冷卻劑散熱以及對(duì)流和輻射散熱[9]，總散熱功率為：

式中，qmass=qmass,an+qmass,ca[10-11]為單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物和生成物進(jìn)出系統(tǒng)產(chǎn)生的散熱量之和；qcool、qrad、qconv分別為冷卻劑散熱功率、輻射散熱功率和對(duì)流散熱功率；qmass,an=(∑mi,an,outCpi)(Tan,out-Tatm)-(∑mi,an,inCpi)(Tan,in-Tatm)、qmass,ca=(∑mj,ca,outCpj)(Tca,out-Tatm)-(∑mj,ca,inCpj)(Tca,in-Tatm)分別為陽(yáng)極和陰極流動(dòng)散熱功率；mi,an,out、mi,an,in分別為陽(yáng)極出口處和入口處組分i（包括H2、氣態(tài)H2O 和液態(tài)H2O）的質(zhì)量流量；Cpi為組分i的比熱容；Tan,out、Tan,in分別為陽(yáng)極出口和入口處溫度；Tatm為環(huán)境溫度；mj,an,out、mj,an,in分別為陰極出口和入口處組分j（包括O2、N2、氣態(tài)H2O 和液態(tài)H2O）的質(zhì)量流量；Cpj為組分j的比熱容；Tca,out、Tca,in分別為陰極出口和入口溫度。

燃料電池堆對(duì)流和輻射散熱功率與電池堆溫度相關(guān)[12]，由于PEM 燃料電池工作溫度較低，故這部分占比很小，一般可忽略不計(jì)：

式中，δ為輻射率；σb為黑體輻射常數(shù)；Arad為電池堆輻射表面積；h為對(duì)流換熱系數(shù)。

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：

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。

空氣冷卻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≤5 kW），功率超過(guò)10 kW 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)（Computational Fluid Dynamics，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 ℃。

圖1 反應(yīng)空氣與冷卻空氣分離的陰極變截面流道設(shè)計(jì)[18]

3.1.2 液體冷卻

液體的比熱容遠(yuǎn)大于氣體的比熱容，與空氣冷卻相比，液體冷卻具有熱轉(zhuǎn)移能力高、流速低等優(yōu)點(diǎn)。液體冷卻可獲得更加均勻的電池堆內(nèi)部溫度分布和更低的進(jìn)、出口溫差，有助于提高電池堆內(nèi)電池性能的一致性，因此是目前最常見(jiàn)的大功率燃料電池堆冷卻方式[5,20]。在液體冷卻系統(tǒng)中，冷卻液需要循環(huán)利用，因此需要增加循環(huán)泵、散熱器、節(jié)溫器等循環(huán)系統(tǒng)部件，一定程度上提高了系統(tǒng)復(fù)雜性。如圖2所示，采用液體冷卻方式散熱需要在PEM 燃料電池組內(nèi)設(shè)置冷卻流道，與空氣冷卻第2種結(jié)構(gòu)相同，冷卻劑散熱是液體冷卻方式主要的散熱途徑。

圖2 雙極板中的冷卻流道示意[21]

依據(jù)幾何形狀劃分，冷卻流道一般包括直流道、蛇形流道和Z字型流道等形式。Lasbet 等[21]提出了一種C字型流道，通過(guò)對(duì)直流道、Z 字型流道和C 字型流道的模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，Z字型流道的對(duì)流換熱系數(shù)是直流道的2倍，這是由于流動(dòng)出現(xiàn)了旋流，而C字型流道的對(duì)流換熱系數(shù)是直流道的6倍，這是因?yàn)榱鲃?dòng)出現(xiàn)了紊流，3種流道方案如圖3 所示。Afshari 等[22]利用三維模型研究了直流道流場(chǎng)、金屬泡沫流場(chǎng)和蛇形流道流場(chǎng)（3 通道和5 通道）的傳熱過(guò)程，結(jié)果表明金屬泡沫流場(chǎng)電池堆內(nèi)的溫差最小。Senn等[23]提出了一種樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)型流道，如圖4 所示，研究發(fā)現(xiàn)在相同的表面積和入口雷諾數(shù)下，樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)流道的壓力損失只有蛇形流道的一半，且其對(duì)流換熱系數(shù)明顯提高，這樣不僅有利于電池堆的冷卻，還可減少系統(tǒng)的泵液損失，從而獲得更高的總效率。

圖3 3種流道的比較[21]

圖4 樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)型流道[23]

液體冷卻劑可以是去離子水或者乙二醇水溶液，也可以是含有納米顆粒的納米流體[24]。水被污染后，電導(dǎo)率提高，在連接管路中可能發(fā)生少許電解，產(chǎn)生氫氣和氧氣，造成電池工作的安全隱患，同時(shí)還會(huì)發(fā)生一定的漏電現(xiàn)象，使燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率下降，故需采用去離子水。為降低冷卻液電阻并考慮低溫冷凍保護(hù)，冷卻劑可采用乙二醇水溶液，研究表明，50%乙二醇與50%去離子水（體積分?jǐn)?shù)）的混合液的冰點(diǎn)可低至-35 ℃，滿足車輛在低溫環(huán)境中的運(yùn)行需求[25]，但是也會(huì)造成冷卻劑比熱容下降、循環(huán)流量提高和離子去除更為困難的問(wèn)題。納米流體是通過(guò)納米顆粒（或納米管、納米片）在基液中分散獲得的[26]，納米顆粒具有更高的比表面積，與純流體和微流體相比，納米流體具有更高的熱導(dǎo)率，并具有低電導(dǎo)率、自發(fā)去離子化和冰點(diǎn)低等優(yōu)點(diǎn)，這使其成為提高散熱器性能的可行方案[27-28]。納米流體目前還存在諸多技術(shù)難題，如長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)納米顆粒的沉積、導(dǎo)電性增強(qiáng)引起的冷卻液漏電等，尚需更加深入的研究[29]。

Islam等[30]模擬研究了納米顆粒濃度對(duì)PEM燃料電池冷卻系統(tǒng)的影響，在達(dá)到相同冷卻效果的情況下，在水和乙二醇的混合液（體積比例為50∶50）中添加體積分?jǐn)?shù)為0.05%的納米流體即可減小約21%的換熱器面積，從理論上驗(yàn)證了納米流體在PEM 燃料電池冷卻系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。Zakaria 等[31]采用氧化鋁納米流體對(duì)液體冷卻PEM 燃料電池的熱電性能進(jìn)行了研究，將氧化鋁納米顆粒分散在水或乙二醇水溶液（體積比例為60∶40）中，分別配制了體積分?jǐn)?shù)為0.1%、0.3%和0.5%的樣品，并通過(guò)建立熱電比和優(yōu)勢(shì)比的概念來(lái)評(píng)估氧化鋁納米流體在PEM燃料電池中應(yīng)用的可行性，結(jié)果表明，水基體積分?jǐn)?shù)為0.1%的樣本是最可行的。Kordi等[32]研究了氧化鋁納米流體對(duì)PEM 燃料電池冷卻性能的影響，當(dāng)納米顆粒體積分?jǐn)?shù)增加到0.6%時(shí)，溫度均勻指數(shù)（表面各點(diǎn)處溫度與平均溫度的偏差的量度）降低約13%，冷卻板表面的最大溫差降低約13%，表明納米流體的應(yīng)用可以總體上改善冷卻性能。

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]。冷卻劑散熱是相變冷卻方式中的主要散熱途徑[37]：

式中，Δh為相變焓；hvapor,out為冷卻劑在陰極出口溫度下的焓；hliquid,in為冷卻劑在陰極入口注入溫度下的焓。

3.2.1 蒸發(fā)冷卻

用于燃料電池蒸發(fā)冷卻的冷卻液一般選用去離子水，并與空氣共同從電池陰極側(cè)進(jìn)入系統(tǒng)，通過(guò)水蒸發(fā)時(shí)的相變帶走燃料電池中的熱量。一方面，冷卻液被空氣帶入反應(yīng)區(qū)域，蒸發(fā)吸熱帶走反應(yīng)生成的熱量，使反應(yīng)區(qū)域維持適宜的溫度；另一方面，冷卻液可以對(duì)空氣進(jìn)行加濕，增加膜含水量，提升燃料電池性能，可以使燃料電池系統(tǒng)無(wú)需額外的加濕器，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于采用相變換熱方式，蒸發(fā)冷卻方式比單相冷卻方式換熱效率更高，可大幅降低冷卻水泵的負(fù)荷，并大幅減小散熱器的體積。

Fly 等[38]將液態(tài)水霧化后直接注入陰極流道，液態(tài)水在流道內(nèi)蒸發(fā)、冷卻并加濕電池堆。仿真結(jié)果表明：在正常工作電流范圍內(nèi)，電池堆溫度變化不超過(guò)±2.0 ℃，這與液體冷卻效果相當(dāng)，且不需要主動(dòng)溫度控制；引入比例積分對(duì)工作壓力進(jìn)行控制能夠?qū)囟茸兓秶M(jìn)一步降低到±(1.0～1.2)℃。Hwang 等[37]建立了PEM 燃料電池的陰極加濕和蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，在加濕過(guò)程中通過(guò)調(diào)整氣體的流量，使進(jìn)入陰極區(qū)的空氣達(dá)到較高的濕度，電池工作時(shí)會(huì)消耗掉一部分空氣，而新輸入的空氣和未發(fā)生反應(yīng)的空氣會(huì)使反應(yīng)生成的水蒸發(fā)，從而引起蒸發(fā)冷卻，降低電池堆溫度。Cochet 等[39]提出一種蒸發(fā)冷卻流場(chǎng)，如圖5 所示，在陽(yáng)極設(shè)置平行于氣體通道的冷卻液流道，并使氣體擴(kuò)散層（Gas Diffusion Layer，GDL）的某些部分具有親水性，利用毛細(xì)作用驅(qū)動(dòng)冷卻液通過(guò)GDL，冷卻電池的同時(shí)也可以起到潤(rùn)濕膜的作用，而疏水部分可以在高達(dá)4 kPa 的毛細(xì)管壓力下保持干燥，有效防止了GDL疏水孔的浸水，并確保反應(yīng)氣體通向催化層的通道暢通。采用蒸發(fā)冷卻方式后冷卻液不再需要相鄰電池之間專門的冷卻通道，雙極板的厚度可大幅降低，電池間距約為液體冷卻方式的2/3，相當(dāng)于減少了多達(dá)33%的電池堆體積，或增加了高達(dá)50%的功率密度。

圖5 蒸發(fā)冷卻流場(chǎng)[39]

3.2.2 流動(dòng)沸騰冷卻

流動(dòng)沸騰冷卻過(guò)程中，冷卻液的溫度保持在沸點(diǎn)，與燃料電池反應(yīng)區(qū)域要求溫度盡量均勻的特點(diǎn)相符合[40]。與傳統(tǒng)液冷方式類似，流動(dòng)沸騰冷卻也需要設(shè)計(jì)獨(dú)立的冷卻液流道，但是換熱效率更高，可大幅度降低冷卻液驅(qū)動(dòng)泵的負(fù)荷，減小散熱器的體積。

目前，PEM 燃料電池的適宜工作溫度一般不超過(guò)80 ℃，因此冷卻液不能采用去離子水或乙二醇水溶液，需要另外選用具有低沸點(diǎn)、高汽化潛熱等特點(diǎn)的液體。Garrity等[41]開(kāi)發(fā)了流動(dòng)沸騰微通道蒸發(fā)板，選取沸點(diǎn)為61 ℃的兩相甲基九氟丁醚（HFE-7100）作為冷卻液，冷卻液在自然循環(huán)兩相熱虹吸管中運(yùn)行，流動(dòng)狀態(tài)主要是泡狀和彈狀，微通道蒸發(fā)板的熱流密度為3.2 W/cm2，可將板壁溫度控制在66～82 ℃之間。Soupremanien等[42]使用五氟丁烷（HFC-365mfc）和十氟戊烷（HFC-4310mee）的混合物作為冷卻液，將流動(dòng)沸騰冷卻方式的最大臨界熱流密度提升到了7.7 W/cm2。Choi 等[43]提出一種基于HFE-7100的PEM燃料電池的冷卻系統(tǒng)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和理論分析，提出其在微通道的主要換熱機(jī)制為核沸騰，與單相水冷卻法電池堆內(nèi)部溫度的變化進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，HFE-7100兩相冷卻方法具有保持溫度均勻性的優(yōu)勢(shì)（<0.5 ℃）。

3.2.3 熱管冷卻技術(shù)

熱管冷卻技術(shù)將熱管嵌入雙極板，冷卻液在蒸發(fā)段吸收熱量后汽化，蒸氣進(jìn)入冷凝段后液化并放出熱量，然后回流至蒸發(fā)段，循環(huán)過(guò)程不依賴外界動(dòng)力元件[44]。

Shirzadi 等[45]對(duì)微型熱管的冷凝器段分別考慮了空氣自由對(duì)流、空氣強(qiáng)制對(duì)流和水強(qiáng)制對(duì)流3種方案。研究結(jié)果表明，采用水強(qiáng)制對(duì)流冷卻效果最好。Oro 等[44]提出了一種扁平熱管作為PEM燃料電池的替代冷卻裝置，扁平熱管的密封殼體有2 個(gè)微槽，用于提供工作流體所需的毛細(xì)管抽運(yùn)。采用一組長(zhǎng)度為100 mm平行裝配的扁平熱管在70～90 ℃范圍內(nèi)以較小的溫度梯度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，該熱管的散熱功率可達(dá)12 W，相當(dāng)于蒸發(fā)器部分1.8 W/cm2的熱流密度。Tetuko 等[46]采用熱管對(duì)PEM燃料電池和金屬氫化物儲(chǔ)氫罐的熱耦合進(jìn)行了試驗(yàn)研究，熱管將燃料電池的熱量轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)氫罐，在最大限度提高儲(chǔ)氫罐氫釋放率的情況下，燃料電池散熱量的20%可被有效利用。

3.2.4 相變材料冷卻技術(shù)

相變材料具有性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，廣泛用于周圍溫度控制或能量?jī)?chǔ)存，在PEM 燃料電池冷卻系統(tǒng)中也受到越來(lái)越多的關(guān)注[36]。PEM 燃料電池的最佳運(yùn)行溫度為60～80 ℃，適合應(yīng)用于其冷卻系統(tǒng)的低溫有機(jī)相變材料有石蠟、脂肪酸、多元醇等。相變材料冷卻是一種被動(dòng)冷卻方式，將相變材料包裹在PEM 燃料電池堆表面可用于電池堆外圍的冷卻，但其冷卻效果有限，難以實(shí)現(xiàn)電池堆溫度的有效調(diào)控。目前，相變材料技術(shù)在燃料電池?zé)峁芾砩现饕糜谛顭幔愿纳齐姵囟训睦鋯?dòng)性能。

Lee 等[47]設(shè)計(jì)了一種燃料電池堆冷卻水換熱裝置，蓄熱器填充相變材料進(jìn)行蓄熱，并通過(guò)換熱器與水進(jìn)行熱交換。Sasmito 等[48]利用石蠟、正二十烷和RT27 分別對(duì)PEM 燃料電池堆被動(dòng)冷卻進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)環(huán)境溫度為-5 ℃時(shí)，電池堆由60 ℃降低到5 ℃大約需要60 h。這有利于避免燃料電池的冷凍，并且使其體積更緊湊、能耗更低，顯示了相變材料在燃料電池冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。

空氣冷卻方式因?yàn)閾Q熱效率較低，僅應(yīng)用于小型燃料電池堆；液體冷卻技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛，其重點(diǎn)在于流場(chǎng)和冷卻液的設(shè)計(jì)；蒸發(fā)冷卻換熱較為高效，但問(wèn)題在于換熱和除水的平衡控制；流動(dòng)沸騰冷卻較液體冷卻更為高效，但也面臨冷卻液流道和冷卻液設(shè)計(jì)的問(wèn)題；熱管冷卻技術(shù)散熱過(guò)程中需要調(diào)節(jié)冷凝器面積和熱管長(zhǎng)度，同樣只適用于小型燃料電池堆的散熱；相變冷卻技術(shù)作為一種被動(dòng)冷卻方式主要用于蓄熱，以改善電池堆的冷啟動(dòng)性能。

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，如圖6 所示，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]。

圖6 燃料電池單相液體冷卻系統(tǒng)[49]

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，車輛上散熱器的位置也需要進(jìn)行合理的布置[4]。

節(jié)溫器可根據(jù)冷卻液溫度調(diào)節(jié)進(jìn)入散熱器的冷卻液流量，以保證燃料電池在合適的溫度范圍內(nèi)工作。當(dāng)溫度較低時(shí)，節(jié)溫器大循環(huán)閥門關(guān)閉，冷卻液流出電池堆后不經(jīng)過(guò)外部散熱器，形成小循環(huán)；當(dāng)冷卻液溫度較高時(shí)，節(jié)溫器大循環(huán)閥門打開(kāi)，冷卻液流經(jīng)外部散熱器進(jìn)行散熱，溫度降低后的冷卻液再由散熱器出口進(jìn)入電池堆，形成大循環(huán)。通過(guò)控制節(jié)溫器閥門的開(kāi)度，可調(diào)整大循環(huán)和小循環(huán)冷卻液流量比例，實(shí)現(xiàn)更加靈活的調(diào)控。

燃料電池堆運(yùn)行過(guò)程中，散熱器和管路接頭處較易釋放離子，導(dǎo)致冷卻液電導(dǎo)率升高，冷卻系統(tǒng)的絕緣性降低，雙極板存在被擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。去離子器內(nèi)置離子交換樹(shù)脂，能夠不斷地與冷卻液中新增的導(dǎo)電離子進(jìn)行交換，吸收零部件釋放的陰、陽(yáng)離子，降低冷卻液的電導(dǎo)率，使系統(tǒng)處于較高的絕緣水平[51]。

水箱為冷卻液提供儲(chǔ)備容積并補(bǔ)充冷卻液，冷卻液的流動(dòng)是靠水泵的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，水泵吸水一側(cè)壓力低，易產(chǎn)生蒸汽泡，使水泵的出水量顯著下降，并引起水泵葉輪的穴蝕。冷卻水在散熱器內(nèi)散熱的過(guò)程中，其攜帶的水蒸氣將向散熱器頂部匯集，加裝膨脹水箱后，散熱器頂部的排氣口與膨脹水箱相連，散熱器中的蒸汽泡通過(guò)導(dǎo)管進(jìn)入膨脹水箱，從而使汽水分離，同時(shí)冷卻水箱由出水口向循環(huán)管路中補(bǔ)充等量的水[52]。這一過(guò)程隨冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行不間斷進(jìn)行，從而不斷排出冷卻水?dāng)y帶的氣體。

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)總成和汽車制造商關(guān)注的重點(diǎn)[50]。

以圖6所示的常見(jiàn)水冷燃料電池冷卻系統(tǒng)為例，依據(jù)電池堆不同工作功率下的散熱量和燃料電池堆的設(shè)計(jì)進(jìn)口溫度和進(jìn)、出口溫差，可以基本確定冷卻水泵的流量。根據(jù)實(shí)測(cè)溫差數(shù)據(jù)可對(duì)水泵流量進(jìn)行修正，如電池堆出口溫度過(guò)高造成溫差過(guò)大，可調(diào)大水泵流量降低溫差，在滿足電池堆溫差要求的條件下，要選擇盡可能低的水泵流量以降低水泵能耗[54]。在散熱器選型確定后，主要通過(guò)散熱風(fēng)扇強(qiáng)制空氣對(duì)流帶走循環(huán)冷卻水的熱量，電池堆進(jìn)、出口冷卻水溫差越大，需要越高的散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速以增大散熱量，保證電池堆冷卻水進(jìn)口溫度穩(wěn)定。在低溫冷啟動(dòng)預(yù)熱階段，只有小循環(huán)開(kāi)啟，并利用外部加熱提升冷卻液溫度對(duì)電池堆加熱，加速融冰過(guò)程，促進(jìn)快速啟動(dòng)。電池堆正常啟動(dòng)后，節(jié)溫器根據(jù)電池堆出口冷卻水溫度分配冷卻系統(tǒng)大循環(huán)和小循環(huán)管路的冷卻水流量，可減少冷卻系統(tǒng)的能量損耗。在燃料電池堆大功率密度運(yùn)行時(shí)的高冷卻液出口溫度下，只有大循環(huán)開(kāi)啟，冷卻液全部通過(guò)散熱器進(jìn)行散熱以降低冷卻液溫度[55]。維持燃料電池冷卻系統(tǒng)及部件的良好工作性能，特別是對(duì)動(dòng)態(tài)工況的適應(yīng)性，需要實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)測(cè)和關(guān)鍵部件運(yùn)行調(diào)控，因而控制策略和方法對(duì)能量管理策略的實(shí)施十分重要。

目前，車輛多采用獨(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200～300 kPa 的空氣，當(dāng)空氣被壓縮機(jī)從100 kPa壓縮到200 kPa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?。豐田Mirai 燃料電池冷卻系統(tǒng)布置方案如圖7所示[50]，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。

圖7 豐田Mirai燃料電池冷卻系統(tǒng)布置方案[50]

汽車上的空調(diào)同樣需要制冷，可用空調(diào)制冷劑對(duì)燃料電池冷卻液進(jìn)行冷卻，如圖8 所示，空調(diào)系統(tǒng)與燃料電池冷卻回路通過(guò)板式換熱器進(jìn)行熱量交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池冷卻液散熱的功能[57]。板式換熱裝置另一側(cè)為空調(diào)制冷系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)空調(diào)壓縮機(jī)與空調(diào)冷凝器相連，制冷劑流經(jīng)空調(diào)冷凝器后分成2條循環(huán)管路：一路經(jīng)電子膨脹閥1、空調(diào)蒸發(fā)器與空調(diào)壓縮機(jī)相連，組成常規(guī)電動(dòng)空調(diào)制冷循環(huán)回路；另一路經(jīng)電子膨脹閥2、板式換熱裝置與空調(diào)壓縮機(jī)相連。當(dāng)燃料電池需要冷卻時(shí)，通過(guò)流經(jīng)板式換熱器右側(cè)的空調(diào)制冷劑帶走板式換熱器左側(cè)燃料電池冷卻液的熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池降溫的功能。控制單元采集燃料電池進(jìn)口冷卻液溫度、壓力，控制電子膨脹閥調(diào)節(jié)流量，使乘員艙和燃料電池系統(tǒng)的制冷量分配合理，達(dá)到既保證燃料電池工作溫度在合理范圍內(nèi)，又使乘員艙內(nèi)溫度適宜的效果。

圖8 集成空調(diào)的燃料電池冷卻系統(tǒng)[57]

燃料電池汽車冬季供暖時(shí)空調(diào)系統(tǒng)會(huì)消耗大量的能量，將燃料電池冷卻系統(tǒng)的熱量用于向乘員艙供暖，可顯著提高燃料電池汽車的經(jīng)濟(jì)性，降低燃料消耗量，提升整車行駛里程。如圖9所示，集成乘員艙供暖的燃料電池冷卻系統(tǒng)在4.1節(jié)基礎(chǔ)上增加了供暖回路，供暖回路設(shè)置有換熱器、水泵和暖風(fēng)散熱器[58]。換熱器用于將燃料電池產(chǎn)生的熱量交換至供暖回路中，水泵用于使供暖回路中的水循環(huán)流動(dòng)，暖風(fēng)散熱器將供暖回路中的熱量散發(fā)到乘員艙中。燃料電池產(chǎn)生的熱量用于乘員艙供暖的控制邏輯為：首先檢測(cè)乘員艙溫度是否低于設(shè)定溫度，若低于設(shè)定溫度，則進(jìn)一步檢測(cè)燃料電池的功率是否大于設(shè)定功率，若大于設(shè)定功率，則滿足余熱利用開(kāi)啟條件，控制節(jié)溫器2 使冷卻液流經(jīng)換熱器，由供暖回路向乘員艙散熱。

圖9 集成乘員艙供暖的燃料電池冷卻系統(tǒng)[58]

此外，燃料電池冷卻系統(tǒng)的余熱利用還包括進(jìn)氣預(yù)熱[59-60]、加濕[61]、熱力循環(huán)發(fā)電[62-63]等。圖10所示為一種常見(jiàn)的基于有機(jī)朗肯循環(huán)的燃料電池堆余熱發(fā)電系統(tǒng)，換熱器同時(shí)作為燃料電池冷卻系統(tǒng)的散熱器和有機(jī)朗肯循環(huán)的蒸發(fā)器，有機(jī)工質(zhì)在換熱器中吸收燃料電池冷卻劑中的熱量，由液態(tài)蒸發(fā)為過(guò)熱氣態(tài)，之后通過(guò)膨脹機(jī)做功，為系統(tǒng)輸出電能。圖11 所示為一種基于新型有機(jī)朗肯循環(huán)的燃料電池堆余熱綜合利用系統(tǒng)[63]，該系統(tǒng)采用有機(jī)制冷工質(zhì)直接對(duì)電堆進(jìn)行冷卻，并通過(guò)有機(jī)朗肯循環(huán)將有機(jī)工質(zhì)吸收的熱能轉(zhuǎn)化為電能輸出。有機(jī)制冷工質(zhì)具有較低的蒸發(fā)溫度，其在低溫燃料電池電堆內(nèi)吸收熱量后由液態(tài)蒸發(fā)為過(guò)熱氣態(tài)，之后通過(guò)膨脹機(jī)膨脹做功，為系統(tǒng)輸出電能。膨脹后的有機(jī)工質(zhì)經(jīng)過(guò)冷凝轉(zhuǎn)化為液態(tài)，經(jīng)工質(zhì)泵加壓后重新進(jìn)入電堆中進(jìn)行相變冷卻。由于有機(jī)工質(zhì)在電堆內(nèi)主要進(jìn)行蒸發(fā)相變，冷卻溫度相對(duì)恒定，有利于維持電堆溫度的均勻性。此外，該系統(tǒng)還可通過(guò)水熱交換器回收陰極出口的水熱用于陰、陽(yáng)極進(jìn)氣的加濕和預(yù)熱。

圖10 基于有機(jī)朗肯循環(huán)的燃料電池堆余熱發(fā)電系統(tǒng)

圖11 基于新型有機(jī)朗肯循環(huán)的燃料電池堆余熱回收系統(tǒng)[63]

燃料電池停機(jī)后內(nèi)部生成的水在0 ℃以下環(huán)境中會(huì)結(jié)冰，阻塞反應(yīng)氣傳輸通道，造成電池啟動(dòng)困難，甚至無(wú)法啟動(dòng)。頻繁結(jié)冰/融冰也會(huì)對(duì)電極材料造成破壞，如在鉑顆粒表面與全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物（Nafion）接觸部位產(chǎn)生的冰融化會(huì)造成鉑與Nafion界面的脫離，導(dǎo)致不可逆的電化學(xué)活性面積損失，造成燃料電池性能下降[64]。冷啟動(dòng)是燃料電池汽車冬季運(yùn)行的最大挑戰(zhàn)，已經(jīng)成為阻礙燃料電池商業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸之一[65]?，F(xiàn)階段大多采用停機(jī)吹掃的策略來(lái)解決燃料電池冷啟動(dòng)問(wèn)題，在電池堆停機(jī)時(shí)利用氣體吹掃來(lái)降低燃料電池膜電極中的含水量，從而減少冰的形成。但僅采用停機(jī)吹掃遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，可在停機(jī)吹掃的基礎(chǔ)上，采用啟動(dòng)升溫策略。電加熱器加熱是目前比較常用的一種外部升溫方式，如圖12所示，通過(guò)電加熱器加熱冷卻液，加熱的冷卻液流入電池堆的冷卻通道，對(duì)電池堆進(jìn)行加熱，使電池堆升溫融冰，實(shí)現(xiàn)冷啟動(dòng)[66]。

圖12 集成正溫度系數(shù)（PTC）加熱器的燃料電池冷卻系統(tǒng)[66]

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。

5.1 PID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)100 W 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 能夠滿足負(fù)載變化緩慢的電池堆溫度控制要求。Ma等[69]設(shè)計(jì)了如圖13 所示的一種補(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。算法在簡(jiǎn)化的燃料電池?cái)?shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，計(jì)算了電池的產(chǎn)熱量，根據(jù)溫度平衡時(shí)的散熱情況，計(jì)算出實(shí)際負(fù)載與額定負(fù)載的差值，從而補(bǔ)償PID 輸出，大致調(diào)節(jié)溫度，最后通過(guò)PID 控制精確調(diào)節(jié)溫度。在一臺(tái)35 kW PEM 燃料電池冷卻系統(tǒng)上試驗(yàn)驗(yàn)證了其可將預(yù)熱過(guò)程中的溫度波動(dòng)從7.5 ℃降低到0.4 ℃。

圖13 補(bǔ)償PID控制算法流程[69]

5.2 預(yù)測(cè)控制

預(yù)測(cè)控制對(duì)數(shù)學(xué)模型的要求不高，振蕩次數(shù)少、穩(wěn)定時(shí)間較短，具有良好的跟蹤性能和較強(qiáng)的抗干擾能力，但是需要較長(zhǎng)的在線計(jì)算時(shí)間[70]。

Qi 等[8]設(shè)計(jì)了一種新的基于模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control，MPC）的控制器，通過(guò)調(diào)節(jié)送風(fēng)量將電池堆溫度控制在最優(yōu)值。在PEM燃料電池模型中針對(duì)電流負(fù)載的典型擾動(dòng)和隨機(jī)擾動(dòng)，結(jié)合環(huán)境溫度的變化測(cè)試了所開(kāi)發(fā)MPC控制器的可靠性，仿真結(jié)果表明，該控制器能有效地將電池堆溫度控制在期望范圍內(nèi)，可以很容易地應(yīng)用于額定功率小于5 kW 的各種PEM 燃料電池模型。Zhang等[12]建立了以控制為導(dǎo)向的開(kāi)放陰極PEM 燃料電池系統(tǒng)熱模型，并開(kāi)發(fā)了如圖14 所示基于實(shí)時(shí)滾動(dòng)優(yōu)化策略的MPC 溫度調(diào)節(jié)方法，在預(yù)測(cè)溫度狀態(tài)和設(shè)定控制范圍的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)由畸變和負(fù)載擾動(dòng)造成的不確定性及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。最后通過(guò)不同負(fù)載電流的試驗(yàn)驗(yàn)證了該MPC控制器可以有效控制電池堆溫度。

圖14 開(kāi)放陰極PEM燃料電池溫度MPC控制器[12]

5.3 自適應(yīng)控制

尹良震等[71]針對(duì)空冷型PEM 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)提出了一種基于自適應(yīng)逆控制的實(shí)時(shí)最優(yōu)溫度控制方法，可以對(duì)發(fā)電系統(tǒng)溫度控制對(duì)象中的非線性以及時(shí)變特性進(jìn)行自適應(yīng)，調(diào)整控制器參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，自適應(yīng)控制方法有利于減小系統(tǒng)的超調(diào)量和實(shí)現(xiàn)最優(yōu)溫度的快速跟蹤。Huang等[9]針對(duì)燃料電池系統(tǒng)的初始條件和動(dòng)態(tài)載荷變化，提出了如圖15 所示的一種電池堆溫度自適應(yīng)控制策略。考慮到負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化，利用Barrier-Lyapunov 函數(shù)構(gòu)造電池堆溫度反饋誤差，將溫度控制在一定范圍內(nèi)。仿真結(jié)果如圖16 所示，與比例積分控制相比，采用所提出的自適應(yīng)控制策略的燃料電池性能有所提高。

圖15 自適應(yīng)控制策略的結(jié)構(gòu)[9]

圖16 自適應(yīng)控制與PI控制的對(duì)比[9]

自適應(yīng)控制需要復(fù)雜的離線訓(xùn)練，實(shí)際應(yīng)用中模型收斂性和系統(tǒng)穩(wěn)定性無(wú)法保證，并且與常規(guī)反饋控制相比，其復(fù)雜程度和成本都將大幅提高，適合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性很清晰，沒(méi)有長(zhǎng)時(shí)間延遲的機(jī)械系統(tǒng)，因此當(dāng)常規(guī)反饋達(dá)不到期望性能時(shí)，才會(huì)考慮采用。

5.4 模糊控制

與PID 控制相比，模糊控制響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性強(qiáng)，具有更好的溫度調(diào)節(jié)能力，但易產(chǎn)生靜態(tài)誤差，并入積分環(huán)節(jié)可消除靜態(tài)誤差[67]。

童正明等[2]針對(duì)36 kW燃料電池堆建立了三輸入一輸出的三維模糊控制方法，將溫度偏差、溫度變化量和燃料電池功率作為模糊控制的輸入量，按照功率的狀態(tài)制定相應(yīng)的控制規(guī)則表，模糊控制的輸出量用來(lái)控制散熱風(fēng)扇的開(kāi)閉，能夠?qū)㈦姵囟褍?nèi)部溫度控制在(70±2)℃范圍內(nèi)。Wang 等[72]建立了PEM 燃料電池的熱分析模型，并開(kāi)發(fā)了二維和三維模糊控制器來(lái)調(diào)節(jié)燃料電池溫度。二維模糊控制器使用溫度誤差及其導(dǎo)數(shù)這2 個(gè)輸入變量，三維模糊控制器選用溫度誤差、溫度誤差的導(dǎo)數(shù)和電流這3 個(gè)輸入變量，冷卻風(fēng)扇用作主動(dòng)控制器，功率晶體管的脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號(hào)作為模糊控制器的輸出。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，三維模糊控制器比二維模糊控制器具有更高的調(diào)節(jié)能力（更小的均方根誤差）。謝雨岑等[73]將模糊增量控制用于PEM燃料電池冷卻系統(tǒng)，如圖17所示，該控制器基于模糊理論采用變論域控制器來(lái)獲得伸縮因子，通過(guò)伸縮因子動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)模糊控制器中的量化因子和比例因子，實(shí)現(xiàn)對(duì)模糊論域的調(diào)節(jié)，從而提高控制的靈敏度和精確度，最后將控制器應(yīng)用于10 kW 燃料電池系統(tǒng)中，電池堆溫度維持在67 ℃時(shí)最大溫差控制在6 ℃以內(nèi)。

圖17 變論域模糊增量控制器[73]

5.5 其他控制策略

陳維榮等[7]提出了一種流量跟隨電流的溫度控制策略，根據(jù)電池堆電流變化調(diào)節(jié)冷卻水流量來(lái)控制電池堆冷卻水進(jìn)、出口溫差，通過(guò)PID 控制器調(diào)節(jié)散熱風(fēng)扇以控制電池堆入口溫度。在水冷PEM燃料電池?zé)峁芾砥脚_(tái)上與傳統(tǒng)控制策略和流量跟隨功率策略進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果如圖18所示，流量跟隨電流控制策略雖然冷卻水入口溫度提升較小，但由于冷卻水流量能夠?qū)Ξa(chǎn)熱變化進(jìn)行快速響應(yīng)，冷卻水出口溫度更加穩(wěn)定，超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間以及溫差的偏差量均小于流量跟隨功率控制策略，可更好地維持電池堆內(nèi)部溫度的穩(wěn)定，從而保證電堆的性能和壽命。

圖18 流量跟隨電流和功率時(shí)進(jìn)、出口溫度變化對(duì)比[7]

趙洪波等[6]提出了如圖19 所示的流量同時(shí)跟隨電流及功率方式和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自抗擾方法2 種冷卻系統(tǒng)控制策略，開(kāi)展了冷卻水流量及散熱器風(fēng)扇流量的研究。結(jié)果表明：流量同時(shí)跟隨電流及功率控制策略能夠有效地削弱水泵和散熱器風(fēng)扇的耦合作用，明顯減少電池堆進(jìn)、出口冷卻水溫度及其溫差的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間。此外，雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自抗擾控制策略在最大功率工況下的控制效果較差，但總體控制效果比流量跟隨電流控制策略好。

圖19 冷卻系統(tǒng)控制策略原理[6]

Yin 等[74]提出了一種用于PEM 燃料電池冷卻系統(tǒng)的最大效率控制策略（Maximum Efficiency Control Strategy，MECS），根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的效率特性，在最大效率優(yōu)化條件下得到了系統(tǒng)的最優(yōu)效率軌跡，并用一種約束廣義預(yù)測(cè)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)最優(yōu)效率軌跡的跟蹤。最后在一個(gè)H-300開(kāi)放式陰極PEM燃料電池系統(tǒng)上進(jìn)行了在線試驗(yàn)，結(jié)果表明，與PID 控制相比，MECS 具有更好的跟蹤能力，可以提供更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效率。

Wang 等[75]提出一種魯棒PID 控制方法，并應(yīng)用識(shí)別技術(shù)來(lái)獲得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PEM 燃料電池冷卻系統(tǒng)的有效控制。谷靖等[76]針對(duì)冷卻系統(tǒng)大慣性和大遲延的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于預(yù)測(cè)的智能PID算法，能夠?qū)㈦姵囟训膶?shí)際溫度與目標(biāo)溫度之差維持在±0.5 ℃范圍內(nèi)。燃料電池作為一個(gè)非線性、多輸入、多輸出的耦合系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制算法很難使系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。不同的控制策略之間彼此結(jié)合能更好地控制PEM燃料電池的溫度。

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)10 kW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)淼睦鋮s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，車輛多采用獨(dú)立的燃料電池冷卻系統(tǒng)，結(jié)合車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。