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        PEMFC燃料電池冷卻系統(tǒng)節(jié)溫器仿真設(shè)計(jì)及預(yù)測

        2022-09-29 06:47:20夏全剛
        電源技術(shù) 2022年9期
        關(guān)鍵詞:合流溫器電堆

        夏全剛,高 源,2,章 桐,2

        (1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海 201804;2.浙江清華長三角研究院氫燃料電池汽車技術(shù)研發(fā)中心,浙江嘉興 314006)

        質(zhì)子交換膜燃料電池具有(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)能量密度高、低溫啟動快、噪聲低、環(huán)保、零排放等優(yōu)點(diǎn),能量轉(zhuǎn)化效率為40%~60%,冷卻系統(tǒng)的熱量穩(wěn)定性至關(guān)重要。假如散熱量不合理,將造成電堆內(nèi)部溫度過高及分布不均勻;過高的溫度會使質(zhì)子交換膜脫水,使電堆的性能下降;若電堆內(nèi)部局部溫度過低,單體電池內(nèi)的催化劑達(dá)不到最佳活性點(diǎn),電池內(nèi)部各種極化增強(qiáng)。在傳統(tǒng)的溫度管理中,控制目標(biāo)始終是保持電堆溫度穩(wěn)定。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),學(xué)者們進(jìn)行了大量的仿真和實(shí)驗(yàn)[1-4],模擬了電堆的產(chǎn)熱過程。HU P 等[2]和HUANG L 等[3]研究了控制器需要冷卻水的流量來調(diào)節(jié)電堆出口冷卻水的溫度。

        冷卻系統(tǒng)的冷卻方式主要有空氣冷卻散熱、液體冷卻散熱、熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)散熱和相變冷卻散熱[5]。對于大功率PEMFC系統(tǒng)而言,最主要的散熱方式是液冷散熱。LU P 等[6]建立了3D 模型來研究燃料電池堆和散熱器上的熱量分布。Alizadeh等[7]設(shè)計(jì)了9 種不同的流場,對比結(jié)果表明優(yōu)秀的設(shè)計(jì)流場可以提高燃料電池的冷卻性能,減少冷卻系統(tǒng)的能耗。但是,國內(nèi)外學(xué)者在燃料電池發(fā)動機(jī)的“大小循環(huán)”上的應(yīng)用研究較少,這就給切換時(shí)瞬間的溫度波動對PEMFC 系統(tǒng)功率的輸出產(chǎn)生影響,在節(jié)溫器的選取與放置位置上有值得優(yōu)化的實(shí)際意義。楊陽等[8]對發(fā)動機(jī)的節(jié)溫器進(jìn)行了優(yōu)化,采用電子節(jié)溫器替代傳統(tǒng)機(jī)械式節(jié)溫器,冷卻效果以及溫度的控制性能顯著提高,提高了發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。程子楓等[9]研究了節(jié)溫器布置形式對PEMFC 冷卻性能的影響,發(fā)現(xiàn)節(jié)溫器的位置不同,對電堆冷卻效果不同。因此,精確調(diào)節(jié)水溫能夠保證溫度分布的一致性,對提高電堆效率和壽命極為重要。本文以某電堆30 kW 的燃料電池發(fā)動機(jī)為研究對象,利用仿真軟件建立燃料電池冷卻系統(tǒng)仿真平臺,主要對燃料電池冷卻系統(tǒng)大小循環(huán)的溫度波動情況進(jìn)行論證。

        1 系統(tǒng)描述與部件模型

        燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)主要包括空氣子系統(tǒng)、氫氣子系統(tǒng)、水熱子系統(tǒng)、電堆和控制子系統(tǒng),系統(tǒng)的原理架構(gòu)如圖1所示。其PEMFC 系統(tǒng)做了部分的簡化。本文主要研究冷卻系統(tǒng)內(nèi)部之間的關(guān)系,過剩的熱量通過冷卻系統(tǒng)帶走,保證PEMFC 系統(tǒng)在合理的溫度范圍內(nèi)工作。冷卻系統(tǒng)通過節(jié)溫器的溫度開關(guān)與調(diào)節(jié),保證系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行。冷卻系統(tǒng)分為大循環(huán)系統(tǒng)和小循環(huán)系統(tǒng),小循環(huán)系統(tǒng)保證了發(fā)動機(jī)的快速升溫,大循環(huán)系統(tǒng)通過冷卻風(fēng)扇帶走冷卻液所攜帶的多余熱量,保證系統(tǒng)運(yùn)行中熱量的平衡。

        圖1 系統(tǒng)(冷卻)原理架構(gòu)圖

        1.1 水泵

        冷卻液通過冷卻系統(tǒng)部件時(shí),會有一定的壓力損失,尤其在節(jié)溫器、電加熱器內(nèi)部,壓力損失非常大,因此需要外部加壓裝置提供動力。水泵在水熱系統(tǒng)中提供動力,是水熱系統(tǒng)中最重要的部件之一。水泵的模型設(shè)計(jì)如圖2 所示,模型運(yùn)行采用f(qv,w)。

        圖2 水泵模型

        水泵的計(jì)算公式為:

        式中:N為水泵轉(zhuǎn)速;Q為最高效率點(diǎn)的流量;H為最高效率點(diǎn)的揚(yáng)程。

        1.2 節(jié)溫器

        節(jié)溫器在不同溫度下熱脹冷縮的特性實(shí)現(xiàn)“大小循環(huán)”冷卻模式切換,模型如圖3 所示。燃料電池發(fā)動機(jī)在開機(jī)時(shí)需要快速升溫過程,這對冷卻系統(tǒng)的工作模式有了要求,即在系統(tǒng)工作的初始階段需要少量的冷卻液,不經(jīng)過散熱器進(jìn)行熱量交換;達(dá)到工作溫度后,閥門緩慢地進(jìn)行切換,最后閥門實(shí)現(xiàn)全開狀態(tài),冷卻液進(jìn)入大循環(huán)工作,以保障燃料電池的工作溫度快速升溫到最佳的工作溫度。本文選用石蠟式節(jié)溫器,節(jié)溫器的開度大小的變化取決于腔內(nèi)石蠟體積的變化,石蠟體積的變化取決于溫度的變化,但是感溫材料對溫度變化的響應(yīng)并不靈敏,即融化與凝固有一定的遲滯現(xiàn)象。

        圖3 節(jié)溫器模型

        故石蠟的融化跟溫度的關(guān)系為:

        式中:τ為時(shí)間常數(shù);T3為圖3(a)中3 端口的溫度值。

        圖3(a)為節(jié)溫器的一進(jìn)兩出(分流),3 端口感受到溫度值,通過一系列的邏輯關(guān)系,分配到1 端口和2 端口進(jìn)入大小循環(huán)工作。圖3(b)為節(jié)溫器的兩進(jìn)一出(合流),1端口和2端口感受到溫度值,通過一系列的邏輯關(guān)系,通過3端口參與循環(huán)。

        1.3 散熱器總成

        散熱器總成是冷卻系統(tǒng)的重要部件,主要包括散熱器和風(fēng)扇。散熱器對冷卻系統(tǒng)流經(jīng)的冷卻液進(jìn)行熱量交換,冷卻液在散熱器的器芯內(nèi)流動并通過管壁與外部的空氣進(jìn)行熱量交換。冷卻液的熱量通過散熱器可以傳遞給外部空氣,從而使冷卻液的溫度穩(wěn)定在一個合理的范圍內(nèi)。散熱器總成的模型設(shè)計(jì)如圖4 和圖5 右側(cè)模型所示。

        圖4 節(jié)溫器分流的冷卻系統(tǒng)模型

        圖5 節(jié)溫器合流的冷卻系統(tǒng)模型

        散熱器在達(dá)到熱平衡時(shí),冷卻液放熱量和空氣吸熱量相等,因此總傳熱量Q為:

        式中:mlq為冷卻液質(zhì)量流量;Tlqin為冷卻液入口溫度;Tlqout為冷卻液出口溫度;mair為空氣質(zhì)量流量為空氣入口溫度;Tairout為空氣出口溫度;K為總傳熱系數(shù);Δtm為平均溫差,由散熱器效率η與最大溫差決定。

        2 仿真模型驗(yàn)證

        本文采用某款燃料電池功率為30 kW 的系統(tǒng),外界環(huán)境溫度20 ℃,壓力為101.352 kPa,乙二醇和水的配比是1∶1,電堆設(shè)計(jì)了功率模擬器,仿真模型如圖4、圖5 所示。圖4 系統(tǒng)采用了節(jié)溫器分流的工作模式,具體工作原理如圖3(a)所示;而圖5 系統(tǒng)采用了節(jié)溫器合流的工作模式,具體工作原理如圖3(b)所示。

        從圖6(a)中可以看出,仿真功率與實(shí)驗(yàn)功率趨勢是吻合的,但是仿真中沒有功率的波動變化,這是因?yàn)闆]有考慮控制元器件的遲滯性和零部件的差異性,屬于理想工況。圖6(b)顯示了電堆出口溫度(分流)實(shí)測與仿真的對比,從圖中可以看出,電堆出口的誤差在0.8%左右,溫度震蕩時(shí)間誤差在5%左右,大小循環(huán)切換時(shí)的最高溫度誤差在0.7%左右。圖6(c)所示為水熱系統(tǒng)仿真與實(shí)測(合流)的溫度變化情況,溫度變化區(qū)間比較小,最大溫差波動在2 ℃左右。綜上,仿真模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是吻合的。

        圖6 實(shí)測與仿真對比

        3 結(jié)果分析

        3.1 基于節(jié)溫器分流的冷卻系統(tǒng)溫度分析

        冷卻系統(tǒng)仿真模型的節(jié)溫器,如圖3(a)所示,通過進(jìn)口3處的溫度信號,對1、2 處的開口大小進(jìn)行控制,開口大小通過f(x)函數(shù)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。隨著加載功率的增加,不同的環(huán)境溫度下,電堆出口的溫升狀態(tài)是不一樣的,具體如圖7所示。從圖7中可以看出,外界環(huán)境溫度越高,相同的節(jié)溫器大小循環(huán)切換時(shí)間越短,50 ℃時(shí)切換時(shí)間在120 s 左右,而-30 ℃時(shí)切換時(shí)間在260 s 左右,這主要是由于系統(tǒng)中冷凍液的容積溫度不同和內(nèi)外溫差不同導(dǎo)致的,內(nèi)外溫差越大,所需要的加熱時(shí)間越長。同時(shí)PEMFC 系統(tǒng)一般的運(yùn)行溫度在60~85 ℃,從圖中可以看出20 ℃的環(huán)境溫度下,溫度在600 s左右進(jìn)入大循環(huán)穩(wěn)定工作,但是50 ℃的環(huán)境溫度下,散熱量一直在持續(xù)上升,說明仿真匹配中散熱器的選型有待進(jìn)一步的優(yōu)化;-30 ℃的環(huán)境溫度下,溫度一直在波動,說明內(nèi)外溫差過大、對流和輻射熱量過多,導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間在延長。不同的外界環(huán)境導(dǎo)致溫度波動的不同,這主要因?yàn)椴煌c(diǎn)的冷凍液導(dǎo)致了節(jié)溫器石蠟融點(diǎn)的差異性。

        圖7 不同環(huán)境溫度-節(jié)溫器(分流)冷卻系統(tǒng)溫度

        在相同的外界條件下,研究不同溫度的節(jié)溫器對冷卻系統(tǒng)的影響,如圖8 所示,除環(huán)境溫度不同,采用圖6(b)的工作參數(shù),發(fā)現(xiàn)節(jié)溫器開度越低,越早進(jìn)入大循環(huán),且溫度波動也越小,這主要是由于大小循環(huán)在切換時(shí),電堆溫升帶來的高溫冷凍液與環(huán)境中的常溫冷凍液溫差不同導(dǎo)致的,混合后的溫度與石蠟融點(diǎn)的敏感性有直接關(guān)系,導(dǎo)致融點(diǎn)的頻繁變換。同時(shí),在進(jìn)入大循環(huán)時(shí)間是相同的,故系統(tǒng)的節(jié)溫器溫度選型,主要跟電堆的最佳工作溫度有關(guān)。通過上述分析可知,可以根據(jù)不同溫度制定不同的控制程序,同時(shí)仿真優(yōu)化零部件選型,給控制策略的優(yōu)化以指導(dǎo)。

        圖8 不同節(jié)溫器(分流)冷卻系統(tǒng)溫度

        3.2 基于節(jié)溫器合流的冷卻系統(tǒng)溫度分析

        節(jié)溫器的兩進(jìn)一出式(合流),如圖3(b)所示,通過進(jìn)口1和2 處的溫度信號,對3 處的開口大小進(jìn)行控制,開口大小通過f(x)函數(shù)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。隨著加載功率的攀升,不同的環(huán)境溫度下,電堆出口的溫升狀態(tài)差異不大,具體如圖9 所示,溫度波動情況遠(yuǎn)小于節(jié)溫器的一進(jìn)兩出式(分流),說明冷卻系統(tǒng)的節(jié)溫器合流方案優(yōu)于分流方案,主要是由于系統(tǒng)運(yùn)行高溫冷凍液和常溫冷凍液的熱容以不同的混合方式進(jìn)入石蠟節(jié)溫器,導(dǎo)致蠟點(diǎn)的反復(fù)融化和凝固。從圖中可以看出,外界環(huán)境溫度越高,相同的節(jié)溫器大小循環(huán)切換時(shí)間越短,50 ℃時(shí)切換時(shí)間在105 s 左右,相比節(jié)溫器(分流)時(shí)間上提前了12.5%;而-30 ℃時(shí)切換時(shí)間在240 s 左右,相比節(jié)溫器(分流)時(shí)間上提前了7.7%;溫度波動上,節(jié)溫器(合流)比節(jié)溫器(分流)溫差減小了90.5%,這保證了電堆的穩(wěn)定性運(yùn)行和電堆內(nèi)部催化劑的活性。同時(shí)PEMFC 系統(tǒng)一般的運(yùn)行溫度在60~85 ℃,從圖中可以看出不同的環(huán)境溫度,對冷卻系統(tǒng)大循環(huán)的影響也是不同的。

        圖9 不同環(huán)境溫度-節(jié)溫器(合流)冷卻系統(tǒng)溫度

        在相同的外界條件下,研究不同溫度的節(jié)溫器對冷卻系統(tǒng)的影響,如圖10 所示。除環(huán)境溫度不同,采用圖6(c)中的工作參數(shù),發(fā)現(xiàn)節(jié)溫器開度(即節(jié)溫器旋轉(zhuǎn)口徑在0~8 mm 的開口度)越低,進(jìn)入大循環(huán)時(shí)間越短,且溫度波動也越小,與節(jié)溫器(分流)的趨勢是一致的,與其相比,溫度波動情況縮短了90%~95%,進(jìn)入大循環(huán)的時(shí)間也縮短了87.5%~98%。通過仿真結(jié)果可以看出,冷卻系統(tǒng)中節(jié)溫器(合流)比節(jié)溫器(分流)溫度波動小很多,同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)選定的節(jié)溫器的合流與分流方案,可以優(yōu)化零部件選型與制定控制策略。

        圖10 不同節(jié)溫器(合流)冷卻系統(tǒng)溫度

        4 結(jié)論

        本文基于30 kW 的PEMFC 系統(tǒng)建立了冷卻系統(tǒng)的分流和合流仿真模型,對主要的零部件進(jìn)行了描述,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性,結(jié)果表明,與節(jié)溫器分流相比,合流更有益于冷卻系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性;基于節(jié)溫器分流與合流的仿真模型,分別預(yù)測了不同外界環(huán)境、不同開度的節(jié)溫器對冷卻系統(tǒng)的影響,并做了對比分析,可以對控制策略進(jìn)行優(yōu)化與指導(dǎo)。

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