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

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，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，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，溫度震蕩時間誤差在5%左右，大小循環(huán)切換時的最高溫度誤差在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)切換時間越短，50 ℃時切換時間在120 s 左右，而-30 ℃時切換時間在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，所需要的加熱時間越長。同時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，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，在進(jìn)入大循環(huán)時間是相同的，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)切換時間越短，50 ℃時切換時間在105 s 左右，相比節(jié)溫器(分流)時間上提前了12.5%；而-30 ℃時切換時間在240 s 左右，相比節(jié)溫器(分流)時間上提前了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)。