質子交換膜燃料電池堆冷卻系統研究進展*

秦彥周 曹世博 劉國坤 劉艷紅 劉玉文

（天津大學 內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300350）

主題詞：燃料電池 冷卻系統 冷卻液 能量管理 控制策略

1 前言

質子交換膜（Proton Exchange Membrane，PEM）燃料電池具有功率密度高、無污染、低噪聲等特點，是電動汽車的理想動力源[1]。PEM燃料電池堆在正常功率密度條件下運行時，其能量轉化效率通常只能達到40%～60%，未轉化為電能的能量需要以熱量的形式散發，以維持電池堆熱平衡[2-3]。由于電池堆工作溫度較低，其與環境自然對流換熱、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造成其運行溫度過高及堆內的溫度梯度提升，導致膜的脫水、材料熱破壞和電池間性能差異變大。此外，從能量利用角度來看，車載燃料電池冷卻系統釋放的熱量可用于進口氣體預熱、加濕及汽車乘員艙供暖等，冷卻系統熱量的回收利用對動力系統整體效率的提升有重要意義[5]。本文將對PEM燃料電池堆的冷卻方式、冷卻系統結構與部件、能量管理策略及冷卻系統控制策略和方法進行總結和分析，以期為PEM燃料電池堆冷卻系統的設計和運行提供參考。

2 燃料電池系統熱量平衡

PEM 燃料電池的工作原理為，氫氣和氧氣發生電化學反應生成水，同時產生電能和熱量：

式中，ΔH為反應焓。

電池堆溫度狀況是產熱和散熱共同作用的結果，根據熱量平衡方程，燃料電池系統熱量平衡關系為[6]：

式中，Cst為電池堆比熱容；Mst為電池堆質量；Tst為電池堆溫度；t為時間；qgen、qdis分別為電池堆產熱速率和散熱速率。

為了簡化燃料電池堆產熱功率的計算，假設燃料電池中的化學能全部轉換為電能和熱能，則系統產熱速率為[7]：

式中，N(H2)=NcellIst/(2F)為單位時間內反應消耗的氫氣的物質的量；qelec=VstIst[8]為有效電功率；Ncell為單電池數量；Ist為電池堆電流；F為法拉第常數；Vst為電池堆電壓。

燃料電池系統的散熱途徑包括物質進出系統導致的散熱、冷卻劑散熱以及對流和輻射散熱[9]，總散熱功率為：

式中，qmass=qmass,an+qmass,ca[10-11]為單位時間內反應物和生成物進出系統產生的散熱量之和；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)分別為陽極和陰極流動散熱功率；mi,an,out、mi,an,in分別為陽極出口處和入口處組分i（包括H2、氣態H2O 和液態H2O）的質量流量；Cpi為組分i的比熱容；Tan,out、Tan,in分別為陽極出口和入口處溫度；Tatm為環境溫度；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H2O 和液態H2O）的質量流量；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。

燃料電池堆對流和輻射散熱功率與電池堆溫度相關[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：

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

3 燃料電池堆的冷卻方式

根據冷卻劑吸熱后是否發生相變，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與陰極供氣系統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反應所需的反應物，同時也是冷卻系統的冷卻劑，因此，冷卻系統不再需要冷卻管路、水泵和散熱器，從而使系統的結構得到簡化，有助于減小燃料電池系統的體積，并降低成本[14]。

按照結構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反應，采用該結構的燃料電池堆在高溫低濕環境下容易造成膜的干燥，存在水熱耦合管理問題；

b.電池之間附加冷卻板，針對冷卻空氣另外設計專用冷卻流道板，冷卻板位于陰、陽極板之間，冷卻空氣流過冷卻流道的同時帶走電池堆產生的熱量，這種結構能夠避免水熱耦合管理問題。

第1 種結構中沒有冷卻劑，故陰、陽極物質流出帶走的熱量即為全部的散熱量；第2種結構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主要散熱量。

空氣冷卻方式也存在明顯的缺點：

a.空氣對流換熱系數低，因此需要較大的換熱面積，盡管可以通過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，因此導致的膜干燥會降低質子在膜內的傳輸能力，從而導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、出口空氣溫差大，反應區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用于小型燃料電池堆（額定功率≤5 kW），功率超過10 kW 的電池堆必須采用液體冷卻方式[3,17]。

Lee等[18]提出了一種反應空氣與冷卻空氣分離的陰極變截面流道設計方案，如圖1 所示，風扇吸入的空氣可以良好地分布在陰極流場，針對典型空氣冷卻燃料電池運行情況的三維計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬結果表明，其在干燥空氣供應條件下具有優良的保水能力。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電池堆內部的傳熱，結果表明，具有高有效導熱系數的均溫板有助于提高電池堆內部的溫度均勻性和極限電流密度，且電池堆最大溫差不會超過6 ℃。

圖1 反應空氣與冷卻空氣分離的陰極變截面流道設計[18]

3.1.2 液體冷卻

液體的比熱容遠大于氣體的比熱容，與空氣冷卻相比，液體冷卻具有熱轉移能力高、流速低等優點。液體冷卻可獲得更加均勻的電池堆內部溫度分布和更低的進、出口溫差，有助于提高電池堆內電池性能的一致性，因此是目前最常見的大功率燃料電池堆冷卻方式[5,20]。在液體冷卻系統中，冷卻液需要循環利用，因此需要增加循環泵、散熱器、節溫器等循環系統部件，一定程度上提高了系統復雜性。如圖2所示，采用液體冷卻方式散熱需要在PEM 燃料電池組內設置冷卻流道，與空氣冷卻第2種結構相同，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，通過對直流道、Z 字型流道和C 字型流道的模擬計算發現，Z字型流道的對流換熱系數是直流道的2倍，這是由于流動出現了旋流，而C字型流道的對流換熱系數是直流道的6倍，這是因為流動出現了紊流，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、金屬泡沫流場和蛇形流道流場（3 通道和5 通道）的傳熱過程，結果表明金屬泡沫流場電池堆內的溫差最小。Senn等[23]提出了一種樹狀網絡型流道，如圖4 所示，研究發現在相同的表面積和入口雷諾數下，樹狀網絡流道的壓力損失只有蛇形流道的一半，且其對流換熱系數明顯提高，這樣不僅有利于電池堆的冷卻，還可減少系統的泵液損失，從而獲得更高的總效率。

圖3 3種流道的比較[21]

圖4 樹狀網絡型流道[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，電導率提高，在連接管路中可能發生少許電解，產生氫氣和氧氣，造成電池工作的安全隱患，同時還會發生一定的漏電現象，使燃料電池的能量轉換效率下降，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，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（體積分數）的混合液的冰點可低至-35 ℃，滿足車輛在低溫環境中的運行需求[25]，但是也會造成冷卻劑比熱容下降、循環流量提高和離子去除更為困難的問題。納米流體是通過納米顆粒（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率，并具有低電導率、自發去離子化和冰點低等優點，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難題，如長時間運行時納米顆粒的沉積、導電性增強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PEM燃料電池冷卻系統的影響，在達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）中添加體積分數為0.05%的納米流體即可減小約21%的換熱器面積，從理論上驗證了納米流體在PEM 燃料電池冷卻系統中應用的可行性。Zakaria 等[31]采用氧化鋁納米流體對液體冷卻PEM 燃料電池的熱電性能進行了研究，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，分別配制了體積分數為0.1%、0.3%和0.5%的樣品，并通過建立熱電比和優勢比的概念來評估氧化鋁納米流體在PEM燃料電池中應用的可行性，結果表明，水基體積分數為0.1%的樣本是最可行的。Kordi等[32]研究了氧化鋁納米流體對PEM 燃料電池冷卻性能的影響，當納米顆粒體積分數增加到0.6%時，溫度均勻指數（表面各點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冷卻、流動沸騰冷卻、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 蒸發冷卻

用于燃料電池蒸發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進入系統，通過水蒸發時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區域，蒸發吸熱帶走反應生成的熱量，使反應區域維持適宜的溫度；另一方面，冷卻液可以對空氣進行加濕，增加膜含水量，提升燃料電池性能，可以使燃料電池系統無需額外的加濕器，簡化系統結構。由于采用相變換熱方式，蒸發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荷，并大幅減小散熱器的體積。

Fly 等[38]將液態水霧化后直接注入陰極流道，液態水在流道內蒸發、冷卻并加濕電池堆。仿真結果表明：在正常工作電流范圍內，電池堆溫度變化不超過±2.0 ℃，這與液體冷卻效果相當，且不需要主動溫度控制；引入比例積分對工作壓力進行控制能夠將溫度變化范圍進一步降低到±(1.0～1.2)℃。Hwang 等[37]建立了PEM 燃料電池的陰極加濕和蒸發冷卻系統，在加濕過程中通過調整氣體的流量，使進入陰極區的空氣達到較高的濕度，電池工作時會消耗掉一部分空氣，而新輸入的空氣和未發生反應的空氣會使反應生成的水蒸發，從而引起蒸發冷卻，降低電池堆溫度。Cochet 等[39]提出一種蒸發冷卻流場，如圖5 所示，在陽極設置平行于氣體通道的冷卻液流道，并使氣體擴散層（Gas Diffusion Layer，GDL）的某些部分具有親水性，利用毛細作用驅動冷卻液通過GDL，冷卻電池的同時也可以起到潤濕膜的作用，而疏水部分可以在高達4 kPa 的毛細管壓力下保持干燥，有效防止了GDL疏水孔的浸水，并確保反應氣體通向催化層的通道暢通。采用蒸發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，相當于減少了多達33%的電池堆體積，或增加了高達50%的功率密度。

圖5 蒸發冷卻流場[39]

3.2.2 流動沸騰冷卻

流動沸騰冷卻過程中，冷卻液的溫度保持在沸點，與燃料電池反應區域要求溫度盡量均勻的特點相符合[40]。與傳統液冷方式類似，流動沸騰冷卻也需要設計獨立的冷卻液流道，但是換熱效率更高，可大幅度降低冷卻液驅動泵的負荷，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、高汽化潛熱等特點的液體。Garrity等[41]開發了流動沸騰微通道蒸發板，選取沸點為61 ℃的兩相甲基九氟丁醚（HFE-7100）作為冷卻液，冷卻液在自然循環兩相熱虹吸管中運行，流動狀態主要是泡狀和彈狀，微通道蒸發板的熱流密度為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，根據試驗結果和理論分析，提出其在微通道的主要換熱機制為核沸騰，與單相水冷卻法電池堆內部溫度的變化進行對比，結果表明，HFE-7100兩相冷卻方法具有保持溫度均勻性的優勢（<0.5 ℃）。

3.2.3 熱管冷卻技術

熱管冷卻技術將熱管嵌入雙極板，冷卻液在蒸發段吸收熱量后汽化，蒸氣進入冷凝段后液化并放出熱量，然后回流至蒸發段，循環過程不依賴外界動力元件[44]。

Shirzadi 等[45]對微型熱管的冷凝器段分別考慮了空氣自由對流、空氣強制對流和水強制對流3種方案。研究結果表明，采用水強制對流冷卻效果最好。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 個微槽，用于提供工作流體所需的毛細管抽運。采用一組長度為100 mm平行裝配的扁平熱管在70～90 ℃范圍內以較小的溫度梯度進行試驗，結果表明，該熱管的散熱功率可達12 W，相當于蒸發器部分1.8 W/cm2的熱流密度。Tetuko 等[46]采用熱管對PEM燃料電池和金屬氫化物儲氫罐的熱耦合進行了試驗研究，熱管將燃料電池的熱量轉移到儲氫罐，在最大限度提高儲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

相變材料具有性能穩定、價格低廉等特點，廣泛用于周圍溫度控制或能量儲存，在PEM 燃料電池冷卻系統中也受到越來越多的關注[36]。PEM 燃料電池的最佳運行溫度為60～80 ℃，適合應用于其冷卻系統的低溫有機相變材料有石蠟、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，難以實現電池堆溫度的有效調控。目前，相變材料技術在燃料電池熱管理上主要用于蓄熱，以改善電池堆的冷啟動性能。

Lee 等[47]設計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行蓄熱，并通過換熱器與水進行熱交換。Sasmito 等[48]利用石蠟、正二十烷和RT27 分別對PEM 燃料電池堆被動冷卻進行了研究。結果表明，當環境溫度為-5 ℃時，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中的應用潛力。

空氣冷卻方式因為換熱效率較低，僅應用于小型燃料電池堆；液體冷卻技術最為成熟、應用最為廣泛，其重點在于流場和冷卻液的設計；蒸發冷卻換熱較為高效，但問題在于換熱和除水的平衡控制；流動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計的問題；熱管冷卻技術散熱過程中需要調節冷凝器面積和熱管長度，同樣只適用于小型燃料電池堆的散熱；相變冷卻技術作為一種被動冷卻方式主要用于蓄熱，以改善電池堆的冷啟動性能。

4 冷卻系統結構與能量管理

燃料電池堆的散熱依靠冷卻系統具體的結構與部件完成，單相液體冷卻是目前大功率燃料電池堆最常見的冷卻方式，本文以單相液體冷卻為例對冷卻系統的結構與能量管理展開分析。

4.1 基本結構與部件

目前，PEM 燃料電池冷卻系統多采用單相液體冷卻方式，如圖6 所示，冷卻系統主要包含水泵、散熱器、節溫器、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[49]

水泵在冷卻系統中對冷卻液做功，驅使冷卻液循環，并實現冷卻液流量的控制。燃料電池堆有合適的工作溫度范圍，設置冷卻液進口溫度（可通過調整散熱器風扇轉速、節溫器開度等方式調控）后，水泵主要通過調整冷卻液的流量控制電池堆的出口溫度或者進、出口溫差，應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、出口溫差一般低于10 ℃，但是由于冷卻液與環境溫差較小，相比于內燃機冷卻液散熱器，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扇，車輛上散熱器的位置也需要進行合理的布置[4]。

節溫器可根據冷卻液溫度調節進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工作。當溫度較低時，節溫器大循環閥門關閉，冷卻液流出電池堆后不經過外部散熱器，形成小循環；當冷卻液溫度較高時，節溫器大循環閥門打開，冷卻液流經外部散熱器進行散熱，溫度降低后的冷卻液再由散熱器出口進入電池堆，形成大循環。通過控制節溫器閥門的開度，可調整大循環和小循環冷卻液流量比例，實現更加靈活的調控。

燃料電池堆運行過程中，散熱器和管路接頭處較易釋放離子，導致冷卻液電導率升高，冷卻系統的絕緣性降低，雙極板存在被擊穿的風險。去離子器內置離子交換樹脂，能夠不斷地與冷卻液中新增的導電離子進行交換，吸收零部件釋放的陰、陽離子，降低冷卻液的電導率，使系統處于較高的絕緣水平[51]。

水箱為冷卻液提供儲備容積并補充冷卻液，冷卻液的流動是靠水泵的壓力來實現的，水泵吸水一側壓力低，易產生蒸汽泡，使水泵的出水量顯著下降，并引起水泵葉輪的穴蝕。冷卻水在散熱器內散熱的過程中，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導管進入膨脹水箱，從而使汽水分離，同時冷卻水箱由出水口向循環管路中補充等量的水[52]。這一過程隨冷卻系統的運行不間斷進行，從而不斷排出冷卻水攜帶的氣體。

4.2 冷卻系統能量管理策略

PEM 燃料電池熱管理就是對電池內熱量的生成與傳遞、溫度場分布和冷卻方式進行研究，包括如何使電池內部產生的熱量排到外部、保證在時間和空間上溫度均勻分布，避免過熱點的出現，并且為保證電池總效率較高，須使冷卻循環泵的功率損失最小化，即在增加熱交換能力的同時使壓力損失最小[53]。對于冷卻方式、冷卻液以及冷卻通道的設計，前文已經進行了較詳細的介紹。對于已有的電池堆結構和冷卻方式，如何通過制定冷卻系統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整體能耗是非常重要的設計目標，也是目前各大燃料電池系統總成和汽車制造商關注的重點[50]。

以圖6所示的常見水冷燃料電池冷卻系統為例，依據電池堆不同工作功率下的散熱量和燃料電池堆的設計進口溫度和進、出口溫差，可以基本確定冷卻水泵的流量。根據實測溫差數據可對水泵流量進行修正，如電池堆出口溫度過高造成溫差過大，可調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，主要通過散熱風扇強制空氣對流帶走循環冷卻水的熱量，電池堆進、出口冷卻水溫差越大，需要越高的散熱風扇轉速以增大散熱量，保證電池堆冷卻水進口溫度穩定。在低溫冷啟動預熱階段，只有小循環開啟，并利用外部加熱提升冷卻液溫度對電池堆加熱，加速融冰過程，促進快速啟動。電池堆正常啟動后，節溫器根據電池堆出口冷卻水溫度分配冷卻系統大循環和小循環管路的冷卻水流量，可減少冷卻系統的能量損耗。在燃料電池堆大功率密度運行時的高冷卻液出口溫度下，只有大循環開啟，冷卻液全部通過散熱器進行散熱以降低冷卻液溫度[55]。維持燃料電池冷卻系統及部件的良好工作性能，特別是對動態工況的適應性，需要實時的溫度監測和關鍵部件運行調控，因而控制策略和方法對能量管理策略的實施十分重要。

目前，車輛多采用獨立的燃料電池冷卻系統，但是燃料電池冷卻系統可以與車輛其他系統集成在一起，一方面是為了提高冷卻系統的散熱效率并實現多部件的冷卻，另一方面可以回收利用冷卻系統中的能量，提高系統整體效率，并簡化系統的結構。

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，當空氣被壓縮機從100 kPa壓縮到200 kPa時，空氣的溫度（約180 ℃）遠高于PEM燃料電池堆的工作溫度[56]，壓縮后的空氣需要通過中冷器進行冷卻，以控制和保持空氣處于適當的溫度和濕度。豐田Mirai 燃料電池冷卻系統布置方案如圖7所示[50]，將中冷器集成到燃料電池冷卻系統，利用燃料電池冷卻系統中的冷卻液對來自空氣壓縮機的高溫空氣進行冷卻。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行調整，進而也要相應調整需要的冷卻液流量。當增大燃料電池堆功率時，控制單元獲取流量計監測到的空氣供給量變化，再控制水泵增加參與循環的冷卻水流量，同時控制節溫器2對流經燃料電池堆和中冷器的冷卻液流量進行調配，以保證對燃料電池堆的冷卻效果和控制進入電池堆的空氣溫度穩定。

圖7 豐田Mirai燃料電池冷卻系統布置方案[50]

汽車上的空調同樣需要制冷，可用空調制冷劑對燃料電池冷卻液進行冷卻，如圖8 所示，空調系統與燃料電池冷卻回路通過板式換熱器進行熱量交換，實現對燃料電池冷卻液散熱的功能[57]。板式換熱裝置另一側為空調制冷系統，經過空調壓縮機與空調冷凝器相連，制冷劑流經空調冷凝器后分成2條循環管路：一路經電子膨脹閥1、空調蒸發器與空調壓縮機相連，組成常規電動空調制冷循環回路；另一路經電子膨脹閥2、板式換熱裝置與空調壓縮機相連。當燃料電池需要冷卻時，通過流經板式換熱器右側的空調制冷劑帶走板式換熱器左側燃料電池冷卻液的熱量，實現對燃料電池降溫的功能。控制單元采集燃料電池進口冷卻液溫度、壓力，控制電子膨脹閥調節流量，使乘員艙和燃料電池系統的制冷量分配合理，達到既保證燃料電池工作溫度在合理范圍內，又使乘員艙內溫度適宜的效果。

圖8 集成空調的燃料電池冷卻系統[57]

燃料電池汽車冬季供暖時空調系統會消耗大量的能量，將燃料電池冷卻系統的熱量用于向乘員艙供暖，可顯著提高燃料電池汽車的經濟性，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在4.1節基礎上增加了供暖回路，供暖回路設置有換熱器、水泵和暖風散熱器[58]。換熱器用于將燃料電池產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流動，暖風散熱器將供暖回路中的熱量散發到乘員艙中。燃料電池產生的熱量用于乘員艙供暖的控制邏輯為：首先檢測乘員艙溫度是否低于設定溫度，若低于設定溫度，則進一步檢測燃料電池的功率是否大于設定功率，若大于設定功率，則滿足余熱利用開啟條件，控制節溫器2 使冷卻液流經換熱器，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[58]

此外，燃料電池冷卻系統的余熱利用還包括進氣預熱[59-60]、加濕[61]、熱力循環發電[62-63]等。圖10所示為一種常見的基于有機朗肯循環的燃料電池堆余熱發電系統，換熱器同時作為燃料電池冷卻系統的散熱器和有機朗肯循環的蒸發器，有機工質在換熱器中吸收燃料電池冷卻劑中的熱量，由液態蒸發為過熱氣態，之后通過膨脹機做功，為系統輸出電能。圖11 所示為一種基于新型有機朗肯循環的燃料電池堆余熱綜合利用系統[63]，該系統采用有機制冷工質直接對電堆進行冷卻，并通過有機朗肯循環將有機工質吸收的熱能轉化為電能輸出。有機制冷工質具有較低的蒸發溫度，其在低溫燃料電池電堆內吸收熱量后由液態蒸發為過熱氣態，之后通過膨脹機膨脹做功，為系統輸出電能。膨脹后的有機工質經過冷凝轉化為液態，經工質泵加壓后重新進入電堆中進行相變冷卻。由于有機工質在電堆內主要進行蒸發相變，冷卻溫度相對恒定，有利于維持電堆溫度的均勻性。此外，該系統還可通過水熱交換器回收陰極出口的水熱用于陰、陽極進氣的加濕和預熱。

圖10 基于有機朗肯循環的燃料電池堆余熱發電系統

圖11 基于新型有機朗肯循環的燃料電池堆余熱回收系統[63]

燃料電池停機后內部生成的水在0 ℃以下環境中會結冰，阻塞反應氣傳輸通道，造成電池啟動困難，甚至無法啟動。頻繁結冰/融冰也會對電極材料造成破壞，如在鉑顆粒表面與全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物（Nafion）接觸部位產生的冰融化會造成鉑與Nafion界面的脫離，導致不可逆的電化學活性面積損失，造成燃料電池性能下降[64]。冷啟動是燃料電池汽車冬季運行的最大挑戰，已經成為阻礙燃料電池商業化的關鍵技術瓶頸之一[65]。現階段大多采用停機吹掃的策略來解決燃料電池冷啟動問題，在電池堆停機時利用氣體吹掃來降低燃料電池膜電極中的含水量，從而減少冰的形成。但僅采用停機吹掃遠遠不夠，可在停機吹掃的基礎上，采用啟動升溫策略。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，對電池堆進行加熱，使電池堆升溫融冰，實現冷啟動[66]。

圖12 集成正溫度系數（PTC）加熱器的燃料電池冷卻系統[66]

5 冷卻系統控制策略和方法

冷卻系統具體結構與部件是完成燃料電池堆散熱的物理基礎，為實現對工作溫度的準確控制，還需輔以合適的控制策略，使各部件能夠高效協同工作。

5.1 PID控制

比例-積分-微分（PID）控制器作為一種線性控制器，算法簡單、魯棒性好、可靠性高，目前廣泛應用于PEM燃料電池溫度控制，但是存在響應速度慢、調節時間長的問題[67]。

王斌銳等[68]設計了一種模糊增量PID 溫度控制算法，針對100 W 風冷燃料電池開展試驗，實現了將溫度波動控制在±0.5 ℃范圍內，結果證明，模糊增量PID 能夠滿足負載變化緩慢的電池堆溫度控制要求。Ma等[69]設計了如圖13 所示的一種補償積分分離PID 控制算法，用于實現動態負荷下溫度的精準控制和冷啟動時的快速預熱控制。算法在簡化的燃料電池數學模型基礎上，計算了電池的產熱量，根據溫度平衡時的散熱情況，計算出實際負載與額定負載的差值，從而補償PID 輸出，大致調節溫度，最后通過PID 控制精確調節溫度。在一臺35 kW PEM 燃料電池冷卻系統上試驗驗證了其可將預熱過程中的溫度波動從7.5 ℃降低到0.4 ℃。

圖13 補償PID控制算法流程[69]

5.2 預測控制

預測控制對數學模型的要求不高，振蕩次數少、穩定時間較短，具有良好的跟蹤性能和較強的抗干擾能力，但是需要較長的在線計算時間[70]。

Qi 等[8]設計了一種新的基于模型預測控制（Model Predictive Control，MPC）的控制器，通過調節送風量將電池堆溫度控制在最優值。在PEM燃料電池模型中針對電流負載的典型擾動和隨機擾動，結合環境溫度的變化測試了所開發MPC控制器的可靠性，仿真結果表明，該控制器能有效地將電池堆溫度控制在期望范圍內，可以很容易地應用于額定功率小于5 kW 的各種PEM 燃料電池模型。Zhang等[12]建立了以控制為導向的開放陰極PEM 燃料電池系統熱模型，并開發了如圖14 所示基于實時滾動優化策略的MPC 溫度調節方法，在預測溫度狀態和設定控制范圍的基礎上，通過調節鼓風機的轉速對由畸變和負載擾動造成的不確定性及時進行補償。最后通過不同負載電流的試驗驗證了該MPC控制器可以有效控制電池堆溫度。

圖14 開放陰極PEM燃料電池溫度MPC控制器[12]

5.3 自適應控制

尹良震等[71]針對空冷型PEM 燃料電池發電系統提出了一種基于自適應逆控制的實時最優溫度控制方法，可以對發電系統溫度控制對象中的非線性以及時變特性進行自適應，調整控制器參數。試驗結果表明，自適應控制方法有利于減小系統的超調量和實現最優溫度的快速跟蹤。Huang等[9]針對燃料電池系統的初始條件和動態載荷變化，提出了如圖15 所示的一種電池堆溫度自適應控制策略。考慮到負載的動態變化，利用Barrier-Lyapunov 函數構造電池堆溫度反饋誤差，將溫度控制在一定范圍內。仿真結果如圖16 所示，與比例積分控制相比，采用所提出的自適應控制策略的燃料電池性能有所提高。

圖15 自適應控制策略的結構[9]

圖16 自適應控制與PI控制的對比[9]

自適應控制需要復雜的離線訓練，實際應用中模型收斂性和系統穩定性無法保證，并且與常規反饋控制相比，其復雜程度和成本都將大幅提高，適合系統動態特性很清晰，沒有長時間延遲的機械系統，因此當常規反饋達不到期望性能時，才會考慮采用。

5.4 模糊控制

與PID 控制相比，模糊控制響應速度快、抗干擾能力強、魯棒性強，具有更好的溫度調節能力，但易產生靜態誤差，并入積分環節可消除靜態誤差[67]。

童正明等[2]針對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，按照功率的狀態制定相應的控制規則表，模糊控制的輸出量用來控制散熱風扇的開閉，能夠將電池堆內部溫度控制在(70±2)℃范圍內。Wang 等[72]建立了PEM 燃料電池的熱分析模型，并開發了二維和三維模糊控制器來調節燃料電池溫度。二維模糊控制器使用溫度誤差及其導數這2 個輸入變量，三維模糊控制器選用溫度誤差、溫度誤差的導數和電流這3 個輸入變量，冷卻風扇用作主動控制器，功率晶體管的脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）信號作為模糊控制器的輸出。仿真和試驗結果表明，三維模糊控制器比二維模糊控制器具有更高的調節能力（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，如圖17所示，該控制器基于模糊理論采用變論域控制器來獲得伸縮因子，通過伸縮因子動態調節模糊控制器中的量化因子和比例因子，實現對模糊論域的調節，從而提高控制的靈敏度和精確度，最后將控制器應用于10 kW 燃料電池系統中，電池堆溫度維持在67 ℃時最大溫差控制在6 ℃以內。

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，根據電池堆電流變化調節冷卻水流量來控制電池堆冷卻水進、出口溫差，通過PID 控制器調節散熱風扇以控制電池堆入口溫度。在水冷PEM燃料電池熱管理平臺上與傳統控制策略和流量跟隨功率策略進行試驗對比，結果如圖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對產熱變化進行快速響應，冷卻水出口溫度更加穩定，超調量、調節時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部溫度的穩定，從而保證電堆的性能和壽命。

圖18 流量跟隨電流和功率時進、出口溫度變化對比[7]

趙洪波等[6]提出了如圖19 所示的流量同時跟隨電流及功率方式和神經網絡自抗擾方法2 種冷卻系統控制策略，開展了冷卻水流量及散熱器風扇流量的研究。結果表明：流量同時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扇的耦合作用，明顯減少電池堆進、出口冷卻水溫度及其溫差的超調量和調節時間。此外，雖然神經網絡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 燃料電池冷卻系統的最大效率控制策略（Maximum Efficiency Control Strategy，MECS），根據燃料電池系統的效率特性，在最大效率優化條件下得到了系統的最優效率軌跡，并用一種約束廣義預測控制來實現對最優效率軌跡的跟蹤。最后在一個H-300開放式陰極PEM燃料電池系統上進行了在線試驗，結果表明，與PID 控制相比，MECS 具有更好的跟蹤能力，可以提供更好的動態響應效率。

Wang 等[75]提出一種魯棒PID 控制方法，并應用識別技術來獲得系統的傳遞函數矩陣，實現了對PEM 燃料電池冷卻系統的有效控制。谷靖等[76]針對冷卻系統大慣性和大遲延的特點設計了基于預測的智能PID算法，能夠將電池堆的實際溫度與目標溫度之差維持在±0.5 ℃范圍內。燃料電池作為一個非線性、多輸入、多輸出的耦合系統，傳統的控制算法很難使系統在短時間內達到穩定。不同的控制策略之間彼此結合能更好地控制PEM燃料電池的溫度。

6 結束語

冷卻系統是質子交換膜（PEM）燃料電池堆高效、安全運行的重要保障。本文對PEM燃料電池堆的冷卻方式、冷卻系統的結構與部件、冷卻系統的能量管理策略以及控制策略和方法的研究和應用現狀進行了總結分析，主要結論如下：

a.空氣冷卻方式受限于空氣的比熱容和對流換熱系數低，主要應用于額定功率不超過10 kW的小型燃料電池堆。液體冷卻是最常見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題，尚需更加深入的研究。蒸發冷卻、流動沸騰冷卻、熱管冷卻和相變材料冷卻等基于相變原理的冷卻方式展現出了巨大潛力，從試驗階段到實際應用，要解決的問題包括開發合適的冷卻介質及提高冷卻效果的穩定性與可控性。

b.單相液體冷卻系統主要包含水泵、散熱器、節溫器、去離子器、膨脹水箱及冷卻管路等部件。目前，車輛多采用獨立的燃料電池冷卻系統，結合車輛具體情況及工作環境，實現對燃料電池冷卻系統與中冷器、空調系統、冷啟動系統和余熱利用系統等的綜合管理，是燃料電池汽車熱管理領域當前的重要研究方向。

c.常見的燃料電池冷卻系統控制策略包括比例-積分-微分控制、模型預測控制、自適應控制、模糊控制，燃料電池冷卻系統是多輸入、多輸出的非線性系統，具體實施中各種控制策略都存在不足之處，有待研發新型協同控制策略實現對燃料電池堆溫度的高效控制。