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燃料电池冷却方法及热管理控制策略进展

   次浏览   本站   2020-12-30

摘要:对燃料电池冷却方法及热管理控制策略研究现状进行综述。介绍质子交换膜燃料电池(PEMFC)热量的产生及平衡,重点概述PEMFC液体冷却、相变冷却和空气冷却等3种冷却方法,以及比例-积分-微分控制、预测控制、自适应控制和模糊控制等热管理控制策略。在此基础上,明确燃料电池热管理控制策略的发展趋势。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)用于交通运输领域,具有高效、清洁和零温室气体排放等优点,除此之外,它还具有功率密度高、启动时间快、效率高、操作温度低(60~80℃)、操作简单、安全可靠等优点[1]。温度控制是燃料电池商业化面临的主要挑战之一。

本文作者对热量产生和能量平衡进行归纳,在此基础上,从冷却方法和热管理控制策略两方面进行综述,其中目前国内外热管理控制策略包括传统比例-积分-微分控制、预测控制、自适应控制和模糊控制等,最后对未来所面临的挑战作出展望。

1 PEMFC热量的产生和能量平衡

1.1 热量的产生

燃料电池热量来源于反应的熵热、电化学反应的不可逆热、欧姆电阻的热以及水蒸气的冷凝产生的热量等[2]。其中80%的热量取决于熵热与反应热,对这部分热的有效去除成为了冷却的重点[3]。温度过高会使质子交换膜脱水,并中断质子传导与导电,导致阴极催化剂含水量降低,甚至会引起不可逆转的结果;同时其温度还具有不均匀性,它会降低PEMFC的稳定性和耐久性[4]。因此,对PEMFC进行有效的热管理变得尤为重要。

1.2 能量的平衡

燃料电池堆的能量平衡有多种估计方法。一般情况下,认为燃料电池堆反应的化学能转换为电能与热功率:

如果产生的水以液态形式流出电池堆,则燃料电池堆内产生的热量为:

式(1)-(2)中:F为法拉第常数;HNHV为氢的高热值;Qgen为电池堆产生的热功率;ncell为电池堆中单体电池的片数;I为电池堆电流;Ucell为电池堆电压。

在燃料电池的实际应用过程中,液体冷却是最主要的散热方式。当产生的水以液态流出电堆时,若不能及时排出会造成电极积水,覆盖催化层,降低催化层活性和电压,从而影响电池的性能。为此,需要控制输入的电压、电流,调节电池堆工作温度,保证水淹问题得到解决,维持燃料电池的稳定运行。

2 燃料电池堆的冷却方法

PEMFC堆的能量转换效率在50%左右,且热量主要来源于反应的熵热和电化学反应的不可逆热。为保证燃料电池在适宜的温度下工作,须采用冷却方法消除热量。

2.1 液体冷却剂冷却

对于高功率(>5 kW)的燃料电池和汽车用燃料电池,液体冷却是最常用的冷却方法。与空气冷却相比,液体冷却具有高热转移能力、低流速等优点[5]。液体冷却剂可以是去离子水或者水和乙二醇的混合物,也可以是含有纳米颗粒的纳米流体[6]。X.Q.Zhao等[7]以电化学反应和热力学控制为依据,建立水冷系统模型,同时建立此模型实验系统,设置3种不同操作条件:降低冷却剂进口温度;增加进出口之间的冷却剂温度差异;增加输出电流。模拟结果与实验数据的比较表明:在同样的控制参数下,该模型数据与实验数据基本吻合。I.Zakaria等[8]研究了聚合物电解质膜燃料电池单冷却板中纳米流体冷却剂的应用,此研究集中在燃料电池冷却板中,将体积浓度为0.1%和0.5%的Al2O3分别加入到体积比6∶4和5∶5的水与乙二醇混合物中,作为冷却剂。实验结果表明:与基础流体相比,体积浓度0.5%的Al2O3在体积比6∶4和5∶5的水与乙二醇混合物中作为冷却剂,传热分别提高23%和21%;但是压力会随之降低,压降分别达到17%和20%。利用优势比,分析传热能力和压力损失,结果表明:在体积比6∶4水与乙二醇混合物中,0.1%浓度的Al2O3是最好的纳米流体冷却剂材料,在体积比5:5水与乙二醇混合物中,0.1%浓度的Al2O3次之。

2.2 相变冷却

相变冷却是通过汽化的焓来消除燃料电池中的废热,在汽车冷却系统的应用可分为热管冷却和蒸发冷却[9]

热管冷却是将热管嵌入双极板,在无外部动力输入的情况下,热管将大量的热量通过截面积进行远距离传输散热。B.Suman等[10]建立一种多边形微热管的流体流动和传热分析模型,分析流体流动、热量和质量转移的耦合非线性方程,与以前研究相比较,此热管模型适用于燃料电池冷却。M.V.Oro等[11]提出一种扁平热管,结果表明:此热管包括两个微凹槽,一个密封的套管,一个毛细血管泵,对热管进行试验,发现该种热管可达到PEMFC散热的要求和运行温度。J.Clement等[12]对采用甲醇作为工作流体的冷却系统,用脉动热管进行性能试验研究,发现其具备自动调节和维持温度小范围变化的能力。

蒸发冷却是在流动通道中引入液态水,通过水蒸发时的相变,带走燃料电池中的废热。A.Fly等[13]将液体水注入蒸发冷却系统的阴极流动通道中,通过仿真结果验证了蒸发式冷却系统温度调节能力。结果显示:在正常电流范围内,电池堆温度变化小于2.0℃,如果采用比例积分控制压力,可进一步将温度变化范围缩小到1.0~1.2℃。S.H.Hwang等[14]建立PEMFC的阴极加湿和蒸发冷却系统,采用阴极加湿,提高堆的性能,并通过蒸发冷却,降低冷却剂温度,达到冷却的目的。

2.3 空气冷却

与其他冷却方法相比,空气冷却是最简单的冷却方法,通过冷却板或是阴极传递空气,从而带走燃料电池产生的废热。E.Afshari等[15]利用三维模型模拟冷却板的金属泡沫流动和传热过程,对4种不同的冷却剂流场设计进行数值研究,结果表明:金属泡沫材料多孔流场的模型在降低表面温差、平均表面温度和最大表面温度具有最佳性能。此外,由于具有高渗透系数,因此该模型中的压降很低。M.Odabaee等[16]探讨气冷式铝金属泡沫燃料电池商业化的可能性,与水冷燃料电池冷却系统相比,结果表明:消除同样的热量,使用铝泡沫空气冷却的燃料电池只需要一半泵功率。当应用泡沫层在石墨板上创造了均匀的温度分布时,则需要考虑燃料电池系统的冷却剂温度差异。B.Boyd等[17]对空气冷却金属泡沫热交换器的三维数值模拟进行研究,发现该热交换器可使加热板的温度均匀分布,从而减少设计和制造的复杂性。

通过对上述质子交换膜燃料电池冷却方法的概述发现,与传统内燃机相比,PEMFC具有更高的效率,也意味着PEMFC应用于车辆时,排放到冷却系统的热量更多,要求选取更合适的冷却方法。空气冷却只需将环境中的空气通过电池阴极或是电池之间附加冷却板,需要最小的平衡设备,冷却系统的结构也相对简单。空气冷却主要应用于额定功率小于5 kW的燃料电池;当功率更大时,散热要求将变得更高,实际应用过程中可能无法满足燃料电池的散热需求。因此,空气冷却适用于小型燃料电池堆的散热。

江馆清秋,晨起看竹,烟光日影露气,皆浮动于疏枝密叶之间。胸中勃勃遂有画意,其实胸中之竹,并不是眼中之竹也。因而磨墨展纸,落笔倏作变相,手中之竹,又不是胸中之竹也。总之,意在笔先者,定则也;趣在法外者,化机也。独画云乎哉?㉖

与空气冷却相比,液体冷却适用于额定功率大于5 kW的燃料电池。传统的液体冷却采用水或水和乙二醇的混合物作为冷却剂。为了进一步提升其冷却性能,目前许多学者致力于研究纳米流体冷却剂来提高传热强度,研究结果表明:纳米流体冷却剂能进一步提高燃料电池散热能力。目前纳米流体冷却剂的制备、储存和冷却过程的压降还存在一些问题,还有待解决。蒸发冷却是把液态水注入燃料电池的阴极流动通道进行蒸发。对比于其他冷却方法,蒸发冷却可以在散热的同时对电池进行加湿,最后还可以将蒸发的水收集到水箱以备使用,而且蒸发冷却不需要外部加湿器或在电池堆内单独加冷却板。目前,大功率燃料电池的燃料电池汽车等最可行的两种冷却方法是液体冷却和蒸发冷却。

3 热管理控制策略

PEMFC是一种低温燃料电池,可应用于汽车、发电机和潜水艇等方面。在燃料电池中,电池堆温度是一个重要的性能参数[18],升高的温度会增加水的活性,增强电化学活动,降低膜的欧姆电势,加剧膜和催化剂的降解,使燃料电池的输出电压上升,导致电池堆性能降低[19];而低温可能会导致水的凝结和电极产生电压损失[20]。由于排气温度只能在70℃左右,大约有95%的热量需要通过冷却方法带走,因此,燃料电池的散热量相对较高[21],且其理想的运行温度大约在60~80℃[22]。有效的热管理控制策略是确保燃料电池所需工作温度的关键。目前,人们对燃料电池进行仿真或者通过实验研究热管理的控制策略,以保证燃料电池工作所需的工作温度。

3.1 传统PID控制

比例-积分-微分(PID)控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件,由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。Y.Saygili等[23]建立一种基于能量平衡的综合冷却系统,电流作为扰动,利用一个开/关控制器来最小化风扇的使用,同时通过反馈PI控制器来保持泵的电压作为一个连续操作的变量,从而提供更好的温度控制效果。V.Liso等[24]提出一种以控制为导向的液体冷却PEM燃料电池系统的动态模型,分析在叉车的快速负荷变化过程中电池堆的温度变化。在动态条件下,对压缩机、加湿器和冷却系统集成的温度、电池极化和水化模型进行模拟,根据电流进行控制,实现了PEMFC堆温度的反馈PID控制。

传统的PID控制具有使用灵活、结构简单、应用范围广和参数较易整定等优点。目前,传统PID控制广泛用于PEMFC温度控制,也是工业生产中最常用的控制方式之一,但具有响应速度慢、调节时间长等缺点。

3.2 预测控制

预测控制对数学模型的要求不高,但具有良好的跟踪性能和较强的抗干扰能力,因此该方法具有较强的鲁棒性。张培昌等[25]根据热传递机理,建立温度Simulink模型,基于此温度模型设计模型预测控制(MPC)控制器,控制PEMFC的温度,此策略将冷却水流量作为控制输入,电堆电流作为系统扰动输入,以此达到燃料电池温度控制的目的。仿真结果表明:在负载扰动状态下运行,MPC控制能快速达到稳定状态,且能抑制电流扰动对输出精度的影响,具有较强的鲁棒性,保证PEMFC温度在适宜的范围运行。与PID控制比较,普通预测控制达到稳定时间较短,但振幅和震荡次数较多;包含前馈环节的预测控制稳定时间最短,震荡次数也最少;然而PID控制的震荡次数和稳定时间都较长,但超调量较小。N.Chatrattanawet等[26]将模型预测控制和基于线性时变模型的离线鲁棒模型预测控制(MPC)应用于PEMFC的控制中。与其他预测控制不同,此控制系统将相对增益阵列(RGA)作为控制性指标应用于系统中,通过MATLAB仿真,分析了PEMFC的性能,进行了控制结构和控制器的设计,结果表明:入口摩尔流量、工作电流密度以及氢气和空气的温度,影响着电池温度和电池电压,空气和氢气的入口摩尔流量,对电池温度起着调节作用。在模型不确定的情况下,鲁棒MPC可以将电池电压和电池温度控制在设定值。

燃料电池作为一个具有很强的非线性、多输入、多输出的耦合系统,依据工作原理可知,传统的控制算法很难使系统在短时间内达到稳定。模型预测控制(MPC)稳定时间较短,振荡次数少于PID控制,具有较强的鲁棒性,在PEMFC控制系统中,能够很好地处理设计回路时的约束,能够抑制电流扰动对输出精度的影响,对实现PEMFC在负载扰动状态下稳定运行有一定指导意义。但是,实际应用中选择最优化MPC算法的时候,需要较长的在线计算时间。

3.3 自适应控制

自适应控制是能修正自己的特性来适应对象和扰动的动态特性变化的控制方法。自适应逆控制是用自适应滤波方法辨识出被控对象的逆模型,串联到对象的输入端作为控制器,来控制对象动态特性的自适应控制方法,其优点在于能将系统动态性能达到最优,同时将对象扰动的影响降到最小。J.Han等[27]设计了模型参考自适应反馈控制器,在PEMFC中参数变化情况下,控制电堆和冷却剂入口温度,保持负载恒定,分别改变电流密度和环境温度,通过与一个名义反馈控制器作比较,对所提出的控制器进行评估。模型参考自适应控制与名义反馈控制算法相比,在系统参数变化的情况下,具有较快的恢复速度和较低的偏差,解决了名义反馈控制具有的局限性。尹良震等[28]提出对于PEMFC发电系统采用自适应逆控制的实时最优温度控制策略,将电压作为控制信号,输入范围是0~12 V,并通过实验验证其工作温度对系统输出性能的影响。相对于传统PID控制方法而言,自适应逆控制能将PEMFC温度控制在理想温度范围内,有效降低系统的超调量,减小输出电压波动,负载变化过程中抑制超调作用显著,短时间内实现最优温度的实时跟踪控制,同时操作条件简单,易于实现。

在自适应控制的基础上,自适应逆控制可以自动跟踪燃料电池的动态变化,针对参数时变的PEMFC系统实现电池温度的最优化控制。通过简单四则运算,解决了PEMFC系统的控制问题,不需要进行复杂的非线性建模和参数识别,计算量小,易于硬件实现。与PID控制相比,自适应逆控制调节时间缩短,电压波动小,有利于燃料电池稳定运行,实现不同负载条件下温度的最优控制,对燃料电池寻找最适宜工作温度有一定的帮助。

3.4 模糊控制

模糊控制是一种非线性智能控制,利用人的知识对控制对象进行控制的一种方法,具有响应速度快、抗干扰能力强,对系统参数的变化有较强的鲁棒性和较好的容错性等优势,尤其适用于非线性、时变、滞后系统的控制。K.Ou等[29]开发多输入、多输出(MIMO)模糊控制器实时控制一个非线性动态燃料电池系统,依据模糊控制策略,对轴向风扇转速和湿度变化的气泡加湿器的电磁阀开/关进行控制,根据电流的输入、温度误差的导数及导数控制温度。实验结果表明:在控制燃料电池温度的过程中,此方法不仅反应速度快,而且只有轻微的波动,可提高燃料电池的输出功率。田玉冬等[30]利用多变量模糊理论和模糊逻辑控制对PEMFC温度进行控制,保证燃料电池在60~80℃运行,建立温度模糊控制系统,解决PEMFC控制参数不易确定、滞后性等问题。温度模糊控制鲁棒性较强,能够节约能源,改善控制质量,尤其适用于具有非线性、滞后性、耦合性的PEMFC温度控制。胡鹏等[31]为消除模糊控制过程中系统的静态误差,分析PEMFC内部热动态特性,建立动态温度模型,并基于模糊控制,设计了带积分环节的二维增量模糊控制器,温度误差和温度误差变化率作为输入量,实时调节冷却水流量,阶跃负载作为测试信号。仿真结果表明:此温度控制方法能实时控制电堆温度在合理工作范围内,消除系统静态误差,鲁棒性强,且能将外部负载变化的扰动降到最低。

对于PEMFC这个多输入、多输出的非线性系统,通过控制冷却水流量、风扇转速等参数来调节温度时,模糊温度控制策略不需要准确的数学模型,因此模糊控制能更好的实现温度控制。与PID控制相比,模糊控制响应速度快,抗干扰能力强,鲁棒性强,具有更好的温度调节能力,但易产生静态误差,并入积分环节可消除静态误差。

3.5 协同控制

S.L.Cheng等[32]建立冷却系统模型,由一个堆栈、一个水箱和一个散热器连接到一个冷却风扇上组成,并加入基于模型的控制器。该控制器由非线性反馈和线性二次型调节器(LQR)状态反馈组成,风扇转速和环境温度作为输入,电堆出口水温作为输出。收集数据显示:此控制策略可以保持堆栈温度变化范围在±0.5℃。F.C.Wang等[33]提出 PEMFC系统的鲁棒PID控制,将PEMFC模型作为一个多变量系统进行建模,应用识别技术来获得系统的s传递函数矩阵,鲁棒控制可克服系统的不确定性和扰动,结合鲁棒控制和PID控制的优点,可以提高燃料的电池性能。

通过以上控制策略,可以发现不同的控制策略相结合可更好的控制PEMFC的温度,控制策略之间彼此结合,可克服自身的缺点,将各自的优点充分发挥,更精确的控制电池温度。

3.6 其他控制

J.Han等[34]应用一种状态反馈控制算法控制多输入和多输出系统,此控制算法使用状态空间方法设计,通过控制散热器风扇和旁通阀对4种不同的控制策略进行比较,来达到减小燃料电池寄生功率的效果。S.Yu等[35]开发一种PEMFC的热模型和热管理系统,设置了热管理的标准,并提出了最小冷却寄生损失热管理策略。通过建立水传输模型、凝聚结构的电化学模型和二维传热模型组成燃料电池模型,从而模拟温度敏感的电化学反应,并捕捉热管理对性能的影响。通过调节散热器冷却风扇和控制冷却剂泵流量,可以有效控制燃料电池运行温度,冷却系统具有最小的冷却寄生损失。J.J.Hwang等[36]在不同的外部负载下,使用热控制单元和智能算法将燃料电池温度控制在工作范围内,该系统协调散热器风扇和对流风扇的活动,以及恒温器的开启度来控制电堆冷却剂进口温度。结果表明,系统的效率得到提高,在负载达到80%时,效率增加至46%。

4 结论

虽然燃料电池热管理控制策略已经得到相应的应用,但要实现商业化的普及与应用,仍然有许多困难。基于目前的研究现状,可得出以下几点结论:

①反应的熵热和电化学反应的不可逆热是PEMFC热量的主要来源,传统的冷却方法虽能满足温度控制要求,但在稳定性、响应速度等方面还需采取控制策略来解决;

②虽然PID控制能实现温度控制,但传统的PID温度控制方法还存在一些问题,如抗干扰能力差、响应速度慢等;

③PEMFC是多输入、多输出系统,单一的控制策略能控制PEMFC温度在60~80℃,但每种控制策略都有自己的优缺点,不能实现燃料电池多方面的控制。

在以后的研究中,可以通过多种控制策略协作,控制燃料电池的温度,达到提高燃料电池的性能的效果。

作者:张宝斌1,刘佳鑫1,2,李建功1,谢世满1

1.华北理工大学机械工程学院

2.华中科技大学能源与动力工程学院

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