水冷型質子交換膜燃料電池溫度控制策略

陳維榮， 李艷昆， 李 巖， 趙興強

(西南交通大學電氣工程學院，四川成都 610031)

質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)作為一種新型低溫燃料電池，具有功率密度高、工作溫度低、噪聲小、易于攜帶等特點.工作溫度作為PEMFC重要參數之一，對PEMFC系統的氣體傳輸特性、膜的含水量、催化層的催化活性、輸出特性甚至工作壽命等都會產生不同程度的影響[1]，因此，有必要對溫度控制進行研究.PEMFC工作時，產生約40% ～60%的熱量，為維持電池組工作溫度的恒定，多余的熱量必須及時排出[2-3].已有文獻對燃料電池溫度控制建模及實驗測試進行了大量研究工作.文獻[4]建立了循環水管理物理模型，在優化循環水系統配置、簡化控制系統參數等方面做了一定研究工作;文獻[5]針對Ballard PEMFC電堆提出了一種水熱管理模型，能預測電堆動態運行過程中的電堆溫度、電壓、功率等信息;文獻[6]分析了空氣流量、冷卻液流量、空氣溫度、冷卻液溫度對中冷器冷卻效果的影響;文獻[7]分析了燃料電池溫度與熱量的關系，建立了燃料電池的簡化熱理模型，設計了基于模糊PID算法的控制策略;文獻[8]通過熱成像方法，測試了燃料電池溫度分布情況;文獻[9-11]分別采用模糊PID融合控制、模糊增量PID控制、增量PID控制，實現了PEMFC最優溫度控制，并通過實驗揭示了電堆存在最優工作溫度的特性.

上述文獻及實際測試中，對燃料電池的溫度控制基本通過調節散熱器風扇轉速控制電堆冷卻水入口溫度，調節循環水泵轉速控制電堆冷卻水出入口的溫差，所以需要同時設定電堆冷卻水入口溫度和出口溫度(或者出入口溫差).這種傳統溫度控制方式(如圖1(a))僅跟蹤溫度的變化，而溫度本身的變化存在很大的延遲，引起控制上的滯后，從而導致調節時間較長.

僅僅根據溫度變化進行控制一般不可能較好地消除電流波動對電堆溫度的影響.針對以上傳統溫度控制策略的不足，同時考慮溫度對燃料電池的影響以及燃料電池極板的耐壓能力，提出一種通過調節冷卻水入口壓力從而控制冷卻水流速的改進溫度控制策略，進而提高溫度控制系統的響應速度，減小超調，原理如圖1(b)所示.改進溫度控制策略以冷卻水入口壓力和空氣入口壓力差值為目標，應滿足

式中:Pcoolant，in為電堆冷卻水入口壓力;

Pair，in為電堆空氣入口壓力;

Pws為極板所能耐受的單方向最大壓力.

在電堆正常運行時，冷卻水入口壓力隨電堆空氣入口壓力的變化而變化.通過控制散熱器風扇轉速調節冷卻水入口溫度，使其滿足設定值.

圖1 溫度控制原理Fig.1 Temperature control principle

1 PEMFC溫度控制系統

PEMFC溫度控制系統工作原理如圖2所示.

圖2 PEMFC溫度控制系統工作原理Fig.2 Principle of the PEMFC temperature control system

控制對象為燃料電池的工作溫度，執行機構為循環水泵和散熱器風扇.冷卻水泵和散熱器風扇均采用直流電機驅動.循環水泵驅動冷卻水循環，將PEMFC發電過程中產生的熱量帶出，流出電堆的高溫冷卻水再經過散熱器，散熱器風扇轉動使空氣對流，從而降低冷卻水的溫度.

2 溫度動態模型

式中:Qgen為電堆產熱功率;

Qdis為散熱功率;

Qtot為電化學反應產生的總功率;

Pst為燃料電池發電功率;

Qgas為氣體熱交換功率;

Qcl為冷卻水散熱功率;

Qatm為電池表面環境熱損失功率.

2.1 化學反應產生的總功率

化學反應產生的總功率Qtot可由反應氫氣流量 Nrec，an，H2與熱值 ΔH 確定，即

2.2 燃料電池發電功率

燃料電池發電功率Pst可由燃料電池單電池模型確定，即

式中:Vcell為燃料電池輸出電壓;Ist為燃料電池輸出電流;N為燃料電池電堆單體電池數量.

2.3 氣體熱傳遞

因氣體在電堆內部有消耗，故將氣體進入與排出電堆時的熱量差值作為氣體總的散熱量，即

根據熱平衡方程[4]可得

根據熱平衡方程，單位時間內電堆的產熱和散熱與電池溫度的關系為[4]

式中:Nin，an，H2、Nin，an，H2O分別為陽極入口氫氣流量與水蒸氣流量;

Nin，Ca，air、Nin，Ca，H2O分別為陰極入口空氣流量與水蒸氣流量;

Nout，an，H2、Nout，an，H2O分別為陽極出口氫氣流量與水蒸氣流量;

2.4 冷卻水散熱

根據熱平衡方程，冷卻水經電堆帶出的熱量為

由式(8)可知，影響冷卻水散熱的兩個因素分別為冷卻水流速Wcl及冷卻水入堆溫度Tin，st.就控制對象而言，分別是循環水泵及散熱風扇.由于系統中循環水泵與散熱風扇均采用直流電機，建模方式類似，以直流水泵為例，直流電機轉數n與電機電壓V之間的關系為[12]

式中:Ce、Cφ、CT為電機常數;

Ra為電樞電阻;

T為負載力矩.

負載力矩T與轉數n的平方成正比，設比例系數為K1，電機控制器輸出電壓Vc與電機電壓V正比值設為K2，則電機轉速可描述為假設電機轉速與水泵流速成正比，系數為K3，則水泵流速為

式(11)可簡要表示為

式中:a、b根據實際測試數據進行參數擬合得到.

散熱器風機模型與冷卻水泵模型類似.在散熱器散熱時，假設將進入散熱器冷卻水溫度 Tin，rad，cl與出散熱器冷卻水溫度Tout，rad，cl的算術平均值作為散熱器空氣出口溫度 Tout，rad，air，經過散熱器后，冷卻水溫度為[4]

2.5 熱輻射

電堆向環境產生的熱輻射為電堆高出環境的溫度與熱阻的比值[13]，即

3 仿真分析與實驗測試

3.1 仿真分析

結合上述溫度動態模型，利用MATLAB仿真軟件對提出的改進溫度控制策略進行仿真測試.設定冷卻水入口溫度為55℃，電堆冷卻水入口壓力比空氣入口壓力低2 kPa，電堆輸出電流在50、90和120 A之間階躍變換，其他仿真參數如表1所示，仿真結果如圖3所示.

表1 仿真參數Tab.1 Simulation parameters

圖3 改進溫度控制策略仿真曲線Fig.3 Simulation curves of the improved temperature control strategy

由圖3可以看出，在負載波動情況下，電堆冷卻水入口溫度基本維持在目標量的±0.5℃范圍內;對于大的負載波動，電堆冷卻水入口溫度基本維持在目標量的±1℃范圍內;系統達到穩態時間約100 s.

3.2 實驗測試

本文對傳統溫度控制策略及改進溫度控制策略均進行了相關測試，實驗參數如表2所示.結合實驗結果分析了在電堆正常運行階段兩種控制策略的控制精度和響應速度等相關問題.實驗在自主搭建的多功能PEMFC平臺上測試完成.實驗平臺選用Ballard公司組裝的9ssl型水冷質子交換膜燃料電池作為測試電堆，其最大額定功率為14.4 kW，具有75個單體電池，實驗平臺如圖4所示.

表2 溫度控制測試相關參數Tab.2 Related parameters of the temperature control test

圖4 多功能PEMFC測試平臺Fig.4 Multifunctional PEMFC test platform

3.2.1 傳統溫度控制策略

PEMFC發電系統溫度控制策略主要通過調節系統的散熱器風扇轉速和流經冷卻水泵的冷卻水流速，從而控制電堆的溫度(冷卻水入口溫度以及進、出口溫差).在調節過程中，由電堆輸出電流變化引起的熱量變化會對系統產生擾動.因此，控制策略要求能快速準確的消除電堆輸出電流變化對電堆溫度的影響.

實驗首先對傳統溫度控制策略進行了實驗測試.由于水冷型燃料電池的溫度控制受外界環境干擾相對較小，所以測試結果具有較好的可重復性.測試過程中電堆電流、冷卻水流量、壓力，散熱器風扇控制電壓的變化趨勢如圖5所示.由于傳統的控制方法對散熱器風扇與冷卻水流速的控制存在強耦合特性，從圖5可以看出，冷卻水流速與風扇控制電壓在整個實驗過程中均出現振蕩現象.

圖5 傳統控制方法冷卻水流速與風扇控制電壓曲線Fig.5 Curves of cooling water velocity and control voltage in the traditional control method

由于傳統控制方法冷卻水流速出現振蕩，且系統的響應速度較慢，因此，會出現冷卻水進堆的壓力高于空氣進堆壓力的現象，如圖6所示.

圖6 傳統控制方法電堆空氣入口與冷卻水入口壓力曲線Fig.6 Pressure curves of air inlet and cooling water inlet in the traditional control method

傳統控制方法冷卻水出入口溫度及溫差曲線如圖7所示.

從圖7可以看出，在整個實驗過程中使用傳統控制方法，燃料電池冷卻水入口溫度波動較大，出口溫度波動更為明顯，出入口溫差最大時已超過7℃，當電流大幅改變時，溫度控制效果并不理想.并且在電堆電流大幅加載時入口溫度波動較大，電堆出口溫度還會伴隨出現大幅尖峰，這樣勢必會出現電堆內部的短時高溫，對膜的含水量影響較大，進而影響電堆的性能和壽命.

3.2.2 改進溫度控制策略

基于上述實驗平臺對提出的改進溫度控制策略進行了相關測試，并與傳統控制策略進行對比，觀察電堆電流，冷卻水流量，散熱器風扇控制電壓的變化趨勢，結果如圖8所示.

圖7 傳統控制方法冷卻水出入口溫度及溫差曲線Fig.7 Curves of cooling water inlet and outlet temperatures and their difference in the traditional control method

圖8 改進控制方法冷卻水流速與風扇控制電壓曲線Fig.8 Curves of cooling water velocity and fan control voltage in the improved control method

由圖8、圖9可以看出，在冷卻水入口壓力和空氣入口壓力差值固定的情況下，不再考慮電堆的溫度.由于此種方法對冷卻水泵的控制是根據空氣入口壓力來確定，所以能夠快速地控制冷卻水流速并保持穩定，消除了通過設定冷卻水出入口溫差調節冷卻水流速方法中的流速震蕩現象.從圖9還可看出，改進溫度控制策略中冷卻水入口壓力可以較好地隨電堆空氣入口的壓力變化而快速變化，控制效果較好，確保了電堆極板工作在合理的壓力范圍內.

由于冷卻水流速能夠快速達到穩定值，所以在控制散熱器風扇轉速以此調節冷卻水入口溫度的過程中，冷卻水流速的變化對風扇的干擾時間短，風扇控制點變化相對平緩，從而保證了冷卻水入口溫度能夠快速達到設定值并保持穩定，如圖10所示.入口溫度實測值與設定值差值保持在±1℃之內，并且在冷卻水入口溫度能夠快速穩定的前提下，保證了電堆冷卻水出口溫度的穩定，出入口溫差保持在6℃范圍之內，如表3所示.

圖9 改進控制方法電堆空氣入口與冷卻水入口壓力曲線Fig.9 Pressure curves of air inlet and cooling water inlet in the improved control method

采用跟蹤不同的變化量分別獨立調節控制冷卻水泵轉速與散熱器風扇轉速，較好地解決了傳統溫度控制策略中的耦合現象.改進溫度控制策略與傳統溫度控制策略的性能對比如表3所示.根據壓力控制冷卻水流速，可以在電堆電流大幅加載時使電堆溫度控制快速響應，維持電堆內部的溫度狀態，避免出現電堆內部的短時高溫，從而保證電堆的性能和壽命.因此，無論是從溫度波動情況、系統耦合強度、燃料電池性能和壽命等方面考慮，改進控制策略都優于傳統控制策略.

圖10 改進控制方法冷卻水出入口溫度及溫差曲線Fig.10 Curves of cooling water inlet and outlet temperatures and their temperature difference in the improved control method

表3 溫度控制策略測試數據Tab.3 Test data of the temperature control strategies

4 結論

本文針對水冷型質子交換膜燃料電池傳統溫度控制策略存在大慣性、大延遲、強耦合的特點，提出了一種調節冷卻水入口壓力控制冷卻水流速的燃料電池改進溫度控制策略.該控制策略不再以調節電堆冷卻水出入口溫差來調節循環水泵轉速，而是以冷卻水入口的壓力作為調節目標，保持冷卻水入口的壓力始終隨空氣入口壓力的變化而變化，并可以通過改變兩者之間的壓力差，在電堆受力允許的情況下保證燃料電池電堆溫度均衡性最優.

文中基于實驗測試平臺，對傳統控制策略與改進控制策略做了實驗對比.結合實驗數據分析得到改進溫度控制策略，該策略能有效地對控制散熱器

風扇轉速和循環水泵轉速解耦，進而減小系統的溫度超調和穩態誤差，加快系統的響應速度.并且以冷卻水入口壓力為控制目標控制冷卻水流速，可以在電堆電流大幅加載時快速、高效地維持電堆內部的溫度狀態，避免電堆內部出現短時高溫現象，對電堆的性能和壽命提供良好的保證.文中提出的改進溫度控制策略具有較高的普適性，可以為水冷型燃料電池實際溫度控制提供參考.

[1]LIU Z，ZHANG H，WANG C，et al.Numerical simulation for rib and channel position effect on PEMFC performances[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2010，35(7):2802-2806.

[2]陳維榮，錢清泉，李奇.燃料電池混合動力列車的研究現狀與發展趨勢[J].西南交通大學學報，2009，44(1):1-6.

CHEN Weirong，QIAN Qingquan，LI Qi.Investigation status and development trend of hybrid power train based on fuel cell[J]. Journal of Southwest Jiaotong University，2009，44(1):1-6.

[3]KANDLIKAR S G，LU Z.Thermal management issues in a PEMFC stack:a brief review of current status[J].Applied Thermal Engineering，2009，29(7):1276-1280.

[4]秦敬玉，徐鵬，王利生，等.質子交換膜燃料電池(PEMFC)發動機循環水管理模型[J].太陽能學報，2001，10(22):385-389.

QIN Jingyu，XU Peng，WANG Lisheng，et al.Model for management of cycling water of a proton exchange membranefuelcell(PEMFC)engine[J]. Acta Energiae Solaris Sinica，2001，10(22):385-389.

[5]YU X，ZHOU B，SOBIESIAK A.Water and thermal management forBallard PEM fuelcellstack[J].Journal of Power Sources，2005 ，147(2):184-195.

[6]周蘇，俞林炯，高昆鵬，等.質子交換膜燃料電池系統中冷器建模與仿真[J].系統仿真學報，2013，25(4):769-773.

ZHOU Su， YU Linjiong， GAO Kunpeng， etal.Modeling and simulation analysisofintercoolerin PEMFC system[J]. Journal of System Simulation，2013，25(4):769-773.

[7]劉洋，全書海，張立炎.燃料電池發電系統溫度控制策略研究[J].武漢理工大學學報，2010，32(2):268-272.

LIU Yang，QUAN Shuhai，ZHANG Liyan.Fuzzy-PID based temperature control strategy for the fuel cell power generation system[J].Journal of Wuhan University Technology，2010，32(2):268-272.

[8]WANG MH， GUOH， MACF. Temperature measurement technologies and their application in the research of fuel cells temperature measurement technologies and their application in the research of fuel cells[C]∥1st International Conference on Fuel Cell Science:Energing and Technology.New York:ASME，2003:95-100.

[9]衛東，鄭東，褚磊民.空冷型質子交換膜燃料電池堆最優性能輸出控制[J].化工學報，2010，61(5):1293-1300.

WEI Dong， ZHENG Dong， CHU Leimin. Output control of optimal performance for air-cooling PEMFC stack[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering，2010，61(5):1293-1300.

[10]王斌銳，金英連，褚磊民，等.空冷燃料電池最佳溫度及模糊增量PID控制[J].中國電機工程學報，2009，29(8):109-114.

WANG Binrui，JIN Yinglian，CHU Leimin，et al.Temperature optimization and fuzzy incremental PID control for air-breathing proton exchange membrane fuel cell stack[J].Proceedings of the CSEE，2009，29(8):109-114.

[11]LI Q， CHEN W， LIU S， etal. Temperature optimization and control of optimal performance for a 300 W open cathode proton exchange membrane fuel cell[J].Procedia Engineering，2012，29(1):179-183.

[12]谷靖，盧蘭光，歐陽明高.燃料電池系統熱管理子系統建模與溫度控制[J].清華大學學報:自然科學版，2007，47(11):2036-2039.

GU Jing，LU Languang，OUYANG Minggao.Thermal management subsystem model and temperature control for fuel cells[J].Journal of Tsinghua University:Science and Technology，2007，47(11):2036-2039.

[13]HU P，CAO G，ZHU X，et al.Coolant circuit modeling and temperature fuzzy control of proton exchange membrane fuel cells[J].International Journal of Hydrogen Energy，2010，35(17):9110-9123.