高溫甲醇燃料電池熱管理系統設計

李毅，袁永熠，2，廖中亮

（1湘潭大學機械工程學院，湖南湘潭411105；2蘇州浩擎新能源科技有限公司，江蘇蘇州215131）

甲醇燃料電池由于其能量密度高，電池性能穩定，燃料易于儲存運輸，在車輛、船舶、電力等領域應用前景廣泛，得到了國家的政策支持。實驗表明，溫度對甲醇燃料電池的穩態和動態性能具有明顯影響，電池穩態性能和對于負載的動態響應隨著電池溫度升高而提升，而溫度過高或過低都將直接導致電池性能惡化[1]。因此，配備穩定有效的熱管理系統對燃料電池性能及使用壽命的提升十分重要[2-5]。

關于燃料電池溫度控制策略，有文獻提出了將模糊PID控制與模糊控制分別用于外部循環和內部循環的控制方法，總體溫度偏差約為4℃[6]。另有學者提出了基于遞歸模糊神經網絡的溫度控制策略，使用四層網絡連接結構實現模糊推理，具有較好的跟蹤性能，需35s 達到穩態[7]。此類智能控制算法具有較好的控制精度及跟蹤性，但由于算法結構較為復雜，工程實際中很難保證其實時性和穩定性，暫不能滿足本文所針對的高溫甲醇燃料電池系統工程應用要求。此前某型號高溫甲醇燃料電池模塊主要根據實時過熱量進行風扇轉速控制，控制效率滯后，溫度波動范圍較大，冷卻系統采用肋板式風冷散熱結構，存在結構笨重、換熱效率低等問題。

針對上述問題，基于Matlab/Simulink平臺提出了針對某高溫甲醇氫燃料單電池模塊的熱管理系統控制擬合簡化方程算法，在保證控溫精度的前提下，最大限度簡化控制系統計算模型，使其能廣泛應用于工程實際。同時對冷卻系統換熱器進行了重新設計，采用緊湊的板翅式換熱器結構，集成PTC加熱模塊，提升電池冷啟動特性。

1 熱管理系統設計

1.1 整體方案

該燃料電池熱管理系統設計要求滿足3.5kW散熱功率，集成PTC電加熱模塊縮短冷啟動時間，風扇和泵采用智能控制，溫度控制精度要求±2℃，介質進出口溫差小于10℃，利用高溫余熱對甲醇燃料進行預熱。

基于上述要求，針對該電池進行了熱管理系統方案設計，整體方案包括內、外雙循環回路，內循環回路主要功能是甲醇燃料的預熱汽化重整制氫，外循環回路的主要功能是智能冷卻精確控溫，穩定燃料電池電堆的工作溫度，如圖1所示。

1.2 控制算法

采用了一種基于經驗模型的擬合簡化方程算法，先根據實測試驗和設計經驗建立經驗計算模型，標定燃料電池不同輸出功率時的產熱曲線和風扇、泵等部件的理想控制曲線，后將風扇、泵等部件的理想控制曲線使用一元對數函數、二次函數等簡單函數進行擬合，同時根據燃料電池的實時輸出進行產熱量的預計算，實現溫度控制預判并提前給出控制量，以此縮短溫度控制響應時間，保證溫度控制的精確性與時效性。此控制策略的設計理念是在保證控溫精度的前提下最大限度簡化控制系統計算模型，使其能廣泛應用于工程實際。控制算法設計原理如圖2所示。

基于上文分析，電池輸出功率、溫度傳感器和壓力傳感器采集溫度信號作為實時輸入，控制系統根據各傳感器數值及溫度預判對電子風扇和循環水泵進行PWM控制，真正實現冷卻系統按需而工作，滿足燃料電池溫控條件的同時盡可能減少能量損耗。系統控制邏輯如圖3所示。此控制策略以極簡化運算為設計思想，相較模糊PID、神經網絡等智能算法，雖對于復雜工況的溫度跟蹤性較弱，但數學模型運算量小，系統響應更為迅速，適用于工況較為穩定的電池系統。

圖1 燃料電池熱管理系統整體方案簡圖

圖2 燃料電池熱管理系統擬合簡化方程算法原理圖

1.3 基于Matlab/Simulink平臺的設計仿真

根據所提出的熱管理系統控制邏輯，基于Matlab/Simulink 平臺建立了熱管理系統控制算法模型，主要模塊有風扇控制模塊（fan）、電子離心泵PWM 計算模塊（bump）、燃料電池產熱計算模塊（FC HEAT）、散熱量計算函數以及溫度積分模塊和溫差計算自定義函數模塊，如圖4所示。

先通過燃料電池熱交換模型計算燃料電池在不同輸出功率下的冷卻系統余熱，再由風冷板翅式換熱器傳熱理論公式得出各工況下所需的空氣質量流速，根據風扇性能曲線反推得到風扇PWM 理想控制曲線。擬合得到簡化的風扇PWM 控制方程經驗模型，見式(1)。

擬合優度判定系數：R2=0.9865。

式中，y為風扇控制占空比；x為電池輸出功率值，kW。

當溫度輸入大于等于163℃時風扇啟動，風扇PWM 控制函數調整風扇轉速，并對風扇性能曲線進行擬合計算，如圖5所示。

風扇PWM控制函數見式(2)。

式中，f(t)表示風扇關于溫度信號的控制函數，f(t)≥0；t為溫度信號值，t≥163。

實際系統中離心泵PWM 參數由壓力傳感器信號作為輸入進行計算調整，使系統穩定在某一工作壓力，在仿真模型中按實際運行過程中不同時段的壓力要求，給定時間信號作為輸入。電子離心泵PWM計算模塊如圖6所示，泵速調整函數見式(3)。

式中，f(p)表示離心泵關于壓力信號的PWM值；p為壓力傳感器信號值。

該系統的電化學反應熱與極化熱之和可通過測得燃料電池I-V曲線，利用式(1)[8]求得式(4)。

圖3 燃料電池熱管理系統控制邏輯框圖

圖4 燃料電池熱管理系統控制算法模型

圖5 風扇控制模塊圖

圖6 電子離心泵PWM計算模塊圖（bump）

圖7 燃料電池產熱計算模塊圖

式中，Itotal為電池電流，A；Voutput為電池輸出電壓，V；N為電池數目，本系統為單電堆熱管理系統，因此N=1。

將電池電流、輸出電壓信號根據實際工況用時間輸入代替，并計算求得產熱量ΔQ。考慮高溫燃料電池輻射熱損失，根據不同環境將所得值乘以修正系數（此為0.8），得到燃料電池冷卻系統需求散熱功率q。燃料電池產熱計算模塊見圖7。

2 換熱器設計

2.1 換熱器結構

此前采用的換熱器結構多為肋板式結構，體積和質量大，且介質容積大，不利于快速預熱。本系統散熱器為板翅式平行流散熱器，見圖8。散熱器設計結構匹配燃料電池系統進出口，質量體積較之前大幅減小，散熱容積盡量減小并配置6 根180W電加熱棒實現開機快速升溫，具體參數如表1所示。

表1 原換熱器方案與優化方案參數對比

左右水室均為異型型腔如圖9、圖10所示，電加熱棒安裝塊采用弧形設計，增大與熱側流體介質接觸面積，優化介質流場。此系統工作溫度高（介質溫度160℃以上），散熱系統內若殘留空氣無法排出，經受熱膨脹形成氣泡進入介質循環回路，會導致泵壓力下降，使電池系統工作停止，因此進出水室型腔均設置為有利于氣泡排出的斜面。同時集成了PTC 電加熱棒安裝模塊，有利于電池預熱快速升溫。

圖8 原方案與新方案換熱器結構對比圖

圖9 進水水室型腔

圖10 出水水室型腔

2.2 換熱器傳熱計算

本系統中冷側介質為空氣，熱側介質為三乙二醇。利用H2O 熱力學性質的統一基本方程[9]、IAWPS 公式[10]結合AP1700 網站MARS 模型求解得該系統中冷、熱側介質的物性參數。

設計換熱器冷熱側f因子、j因子經驗公式參考文獻中的經驗關聯公式[11-12]分別見式(5)～式(8)。

式中，fh為熱側流體阻力因子；jh為熱側流體傳熱因子；de為熱側流體當量直徑，m；α為換熱器熱側波高與壁厚差值，m；Re為熱側流體雷諾數。

式中，fc為冷側流體阻力因子；jc為冷側流體傳熱因子；De為冷側流體當量直徑，m；Ld為換熱器芯體厚度，m；Fh為換熱器冷側波高，m；δ為換熱器冷側帶材壁厚，m；Re為冷側流體雷諾數。

根據傳熱學基本原理及公式計算換熱器在不同風量下的設計換熱量，并得到換熱器與風量相關的換熱性能曲線如圖11所示。

圖11 換熱器性能曲線

根據圖11 換熱器性能曲線擬合換熱器散熱量Q（kW）計算方程，見式(9)。

式中，qc為風量，m3/s。

3 裝機試驗數據分析

3.1 試驗平臺介紹

所搭建的試驗平臺見圖12，主要包括電池安裝臺架、5kW 甲醇重整燃料電池單元模塊、電控系統、冷卻系統、電池輸出負載調節系統和電池監控系統。電池安裝臺架為鋁合金框架結構，整體結構分為3層，上層為電控系統電路板安裝；中層為燃料電池重整室、燃燒室、電堆等系統安裝；下層為冷卻系統的安裝。

電池運行試驗方法是將各模塊安裝好之后開機，根據電池監控系統顯示的溫度、壓力等參數通過負載調節系統對電池進行自動或手動搭載，電池運行時通過電池監控系統監控各關鍵部位進出口的溫度傳感器、壓力傳感器采集信號，數據采集時間間隔為2s。

圖12 燃料電池試驗平臺簡圖

3.2 仿真溫度曲線與實測溫度曲線對比

利用搭建的Matlab/Simulink系統模型進行控制系統仿真運行試驗，得到熱側介質溫度曲線與電池實際工作熱側介質曲線如圖13 所示。仿真系統中穩定工況溫度設定為163℃，迭代運算中溫度收斂于165.1℃。在此次實測中，溫度穩定于163.5～165.5℃，實測溫度誤差基本可以穩定維持在±2℃以內，但仍然存在溫度振蕩幅度較大區域；電加熱棒的局部加熱作用使得電池預熱時間短于預期值；實測溫度趨勢基本與系統仿真結果相同，因此該控制系統算法及仿真過程具有設計參考價值。

3.3 熱管理系統優化前后溫度曲線對比

圖13 仿真溫度曲線與實測溫度曲線對比圖

圖14 原熱管理系統與新熱管理系統溫度曲線對比圖

圖14 為電池原熱管理系統（肋板換熱器的被動風冷）與熱管理系統（能量綜合管理+智能冷卻）的溫度性能對比圖。該燃料電池系統在介質溫度125℃以上時開始小功率發電，由圖可以看出，原換熱器結構電池預熱時間為2336s，優化換熱器結構后電池預熱時間為1658s，電池預熱時間縮短了678s。

3.4 換熱器溫度均勻性測試

本系統散熱器集成了電加熱裝置，進出口兩側每側3根電加熱棒，熱源比較集中，因此在進出口型腔內部結構設計時需要考慮加熱棒向介質的傳熱效率，避免局部溫度過高引起的局部沸騰，同時也更為合理地利用能量，防止電能浪費。

本系統要求三乙二醇換熱器進出口溫差控制在10℃以內，實測三乙二醇進出口溫差如圖15所示，可以看出在一般工況下可以滿足系統要求，但是在電池較長時間運行時進出口溫差最大為12.5℃，因此對介質的流量控制函數是今后系統進一步優化的關鍵問題。

圖15 換熱器進出口介質溫差曲線圖

為了更準確地測量散熱器從開始預熱到電加熱停止過程中實際溫度分布數據，在散熱器進口側、出口側外壁中點及散熱器芯體4 個點（A、B、C、D）上布置了熱電偶測量壁面溫度，如圖16所示。

實測溫度數據折線圖如圖17 所示，橫坐標為當天實際時間，縱坐標為溫度值（℃）。

圖16 散熱器熱電偶分布位置示意圖

圖17 各點實測溫度隨時間變化折線圖

散熱器芯體幾乎沒有溫差，A、B、C、D各點溫度曲線基本重合，說明流道設計較為合理，未出現流道阻塞，各內流道介質流量與流速一致性高。加熱2160s時停止加熱。由圖17可以看出，在介質溫度較低時，加熱棒具有較好的加熱效果，當進液端壁面溫度達到100℃時，溫度上升速度開始變慢。根據實測結果，壁面溫度達到180℃時系統加熱停止，此時介質溫度為125～128℃，可以估算加熱時外壁面溫度與介質溫度差值約為50℃。當外壁溫度達到100℃時，介質溫度約為50℃，實測電堆散熱器工作環境溫度為50℃，因此當介質高于環境溫度時，散熱器本身會造成一定程度的熱量損失。今后的優化方向可以以此為考慮重點，通過增加一個加熱回路的方式將電加熱裝置獨立于散熱器之外，可以有效防止熱量損失，進一步縮短電堆預熱時間，提高能量利用效率。

4 結論

（1）所提出的熱管理系統控制方法在本系統中可以實現有效地控制介質溫度，滿足系統進出口溫差及溫度穩定性需求，縮短系統冷啟動預熱時間，可為今后熱管理系統的控制系統設計提供參考依據。

（2）基于Matlab/Simulink 的熱管理系統設計仿真結果與實測數據相比，結果表明，冷卻介質溫度趨勢基本相同，溫度誤差在±2℃以內，達到系統設計要求。

（3）板翅式平行流換熱器相較于肋板式換熱結構具有明顯性能優勢，且避免溫度分布均勻，進出口溫度一致性高，是目前單模塊燃料電池理想的換熱結構。

（4）電加熱系統集成到散熱系統會帶來隨著溫度升高溫升速度變慢的問題。因此，雙回路（加熱回路、冷卻回路）系統將成為今后燃料電池熱管理系統的主要解決方案。