PEMFC燃料電池冷卻系統節溫器仿真設計及預測

夏全剛，高 源,2，章 桐,2

(1.同濟大學汽車學院，上海 201804；2.浙江清華長三角研究院氫燃料電池汽車技術研發中心，浙江嘉興 314006)

質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、環保、零排放等優點，能量轉化效率為40%～60%，冷卻系統的熱量穩定性至關重要。假如散熱量不合理，將造成電堆內部溫度過高及分布不均勻；過高的溫度會使質子交換膜脫水，使電堆的性能下降；若電堆內部局部溫度過低，單體電池內的催化劑達不到最佳活性點，電池內部各種極化增強。在傳統的溫度管理中，控制目標始終是保持電堆溫度穩定。為了實現這一目標，學者們進行了大量的仿真和實驗[1-4]，模擬了電堆的產熱過程。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節電堆出口冷卻水的溫度。

冷卻系統的冷卻方式主要有空氣冷卻散熱、液體冷卻散熱、熱傳導結構散熱和相變冷卻散熱[5]。對于大功率PEMFC系統而言，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]設計了9 種不同的流場，對比結果表明優秀的設計流場可以提高燃料電池的冷卻性能，減少冷卻系統的能耗。但是，國內外學者在燃料電池發動機的“大小循環”上的應用研究較少，這就給切換時瞬間的溫度波動對PEMFC 系統功率的輸出產生影響，在節溫器的選取與放置位置上有值得優化的實際意義。楊陽等[8]對發動機的節溫器進行了優化，采用電子節溫器替代傳統機械式節溫器，冷卻效果以及溫度的控制性能顯著提高，提高了發動機的經濟性。程子楓等[9]研究了節溫器布置形式對PEMFC 冷卻性能的影響，發現節溫器的位置不同，對電堆冷卻效果不同。因此，精確調節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 的燃料電池發動機為研究對象，利用仿真軟件建立燃料電池冷卻系統仿真平臺，主要對燃料電池冷卻系統大小循環的溫度波動情況進行論證。

1 系統描述與部件模型

燃料電池發動機系統主要包括空氣子系統、氫氣子系統、水熱子系統、電堆和控制子系統，系統的原理架構如圖1所示。其PEMFC 系統做了部分的簡化。本文主要研究冷卻系統內部之間的關系，過剩的熱量通過冷卻系統帶走，保證PEMFC 系統在合理的溫度范圍內工作。冷卻系統通過節溫器的溫度開關與調節，保證系統高效穩定運行。冷卻系統分為大循環系統和小循環系統，小循環系統保證了發動機的快速升溫，大循環系統通過冷卻風扇帶走冷卻液所攜帶的多余熱量，保證系統運行中熱量的平衡。

圖1 系統(冷卻)原理架構圖

1.1 水泵

冷卻液通過冷卻系統部件時，會有一定的壓力損失，尤其在節溫器、電加熱器內部，壓力損失非常大，因此需要外部加壓裝置提供動力。水泵在水熱系統中提供動力，是水熱系統中最重要的部件之一。水泵的模型設計如圖2 所示，模型運行采用f(qv,w)。

圖2 水泵模型

水泵的計算公式為：

式中：N為水泵轉速；Q為最高效率點的流量；H為最高效率點的揚程。

1.2 節溫器

節溫器在不同溫度下熱脹冷縮的特性實現“大小循環”冷卻模式切換，模型如圖3 所示。燃料電池發動機在開機時需要快速升溫過程，這對冷卻系統的工作模式有了要求，即在系統工作的初始階段需要少量的冷卻液，不經過散熱器進行熱量交換；達到工作溫度后，閥門緩慢地進行切換，最后閥門實現全開狀態，冷卻液進入大循環工作，以保障燃料電池的工作溫度快速升溫到最佳的工作溫度。本文選用石蠟式節溫器，節溫器的開度大小的變化取決于腔內石蠟體積的變化，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并不靈敏，即融化與凝固有一定的遲滯現象。

圖3 節溫器模型

故石蠟的融化跟溫度的關系為：

式中：τ為時間常數；T3為圖3(a)中3 端口的溫度值。

圖3(a)為節溫器的一進兩出(分流)，3 端口感受到溫度值，通過一系列的邏輯關系，分配到1 端口和2 端口進入大小循環工作。圖3(b)為節溫器的兩進一出(合流)，1端口和2端口感受到溫度值，通過一系列的邏輯關系，通過3端口參與循環。

1.3 散熱器總成

散熱器總成是冷卻系統的重要部件，主要包括散熱器和風扇。散熱器對冷卻系統流經的冷卻液進行熱量交換，冷卻液在散熱器的器芯內流動并通過管壁與外部的空氣進行熱量交換。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定在一個合理的范圍內。散熱器總成的模型設計如圖4 和圖5 右側模型所示。

圖4 節溫器分流的冷卻系統模型

圖5 節溫器合流的冷卻系統模型

散熱器在達到熱平衡時，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；Δtm為平均溫差，由散熱器效率η與最大溫差決定。

2 仿真模型驗證

本文采用某款燃料電池功率為30 kW 的系統，外界環境溫度20 ℃，壓力為101.352 kPa，乙二醇和水的配比是1∶1，電堆設計了功率模擬器，仿真模型如圖4、圖5 所示。圖4 系統采用了節溫器分流的工作模式，具體工作原理如圖3(a)所示；而圖5 系統采用了節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，仿真功率與實驗功率趨勢是吻合的，但是仿真中沒有功率的波動變化，這是因為沒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)所示為水熱系統仿真與實測(合流)的溫度變化情況，溫度變化區間比較小，最大溫差波動在2 ℃左右。綜上，仿真模型與實驗結果是吻合的。

圖6 實測與仿真對比

3 結果分析

3.1 基于節溫器分流的冷卻系統溫度分析

冷卻系統仿真模型的節溫器，如圖3(a)所示，通過進口3處的溫度信號，對1、2 處的開口大小進行控制，開口大小通過f(x)函數實現互補。隨著加載功率的增加，不同的環境溫度下，電堆出口的溫升狀態是不一樣的，具體如圖7所示。從圖7中可以看出，外界環境溫度越高，相同的節溫器大小循環切換時間越短，50 ℃時切換時間在120 s 左右，而-30 ℃時切換時間在260 s 左右，這主要是由于系統中冷凍液的容積溫度不同和內外溫差不同導致的，內外溫差越大，所需要的加熱時間越長。同時PEMFC 系統一般的運行溫度在60～85 ℃，從圖中可以看出20 ℃的環境溫度下，溫度在600 s左右進入大循環穩定工作，但是50 ℃的環境溫度下，散熱量一直在持續上升，說明仿真匹配中散熱器的選型有待進一步的優化；-30 ℃的環境溫度下，溫度一直在波動，說明內外溫差過大、對流和輻射熱量過多，導致系統穩定運行時間在延長。不同的外界環境導致溫度波動的不同，這主要因為不同冰點的冷凍液導致了節溫器石蠟融點的差異性。

圖7 不同環境溫度-節溫器(分流)冷卻系統溫度

在相同的外界條件下，研究不同溫度的節溫器對冷卻系統的影響，如圖8 所示，除環境溫度不同，采用圖6(b)的工作參數，發現節溫器開度越低，越早進入大循環，且溫度波動也越小，這主要是由于大小循環在切換時，電堆溫升帶來的高溫冷凍液與環境中的常溫冷凍液溫差不同導致的，混合后的溫度與石蠟融點的敏感性有直接關系，導致融點的頻繁變換。同時，在進入大循環時間是相同的，故系統的節溫器溫度選型，主要跟電堆的最佳工作溫度有關。通過上述分析可知，可以根據不同溫度制定不同的控制程序，同時仿真優化零部件選型，給控制策略的優化以指導。

圖8 不同節溫器(分流)冷卻系統溫度

3.2 基于節溫器合流的冷卻系統溫度分析

節溫器的兩進一出式(合流)，如圖3(b)所示，通過進口1和2 處的溫度信號，對3 處的開口大小進行控制，開口大小通過f(x)函數實現互補。隨著加載功率的攀升，不同的環境溫度下，電堆出口的溫升狀態差異不大，具體如圖9 所示，溫度波動情況遠小于節溫器的一進兩出式(分流)，說明冷卻系統的節溫器合流方案優于分流方案，主要是由于系統運行高溫冷凍液和常溫冷凍液的熱容以不同的混合方式進入石蠟節溫器，導致蠟點的反復融化和凝固。從圖中可以看出，外界環境溫度越高，相同的節溫器大小循環切換時間越短，50 ℃時切換時間在105 s 左右，相比節溫器(分流)時間上提前了12.5%；而-30 ℃時切換時間在240 s 左右，相比節溫器(分流)時間上提前了7.7%；溫度波動上，節溫器(合流)比節溫器(分流)溫差減小了90.5%，這保證了電堆的穩定性運行和電堆內部催化劑的活性。同時PEMFC 系統一般的運行溫度在60～85 ℃，從圖中可以看出不同的環境溫度，對冷卻系統大循環的影響也是不同的。

圖9 不同環境溫度-節溫器(合流)冷卻系統溫度

在相同的外界條件下，研究不同溫度的節溫器對冷卻系統的影響，如圖10 所示。除環境溫度不同，采用圖6(c)中的工作參數，發現節溫器開度(即節溫器旋轉口徑在0～8 mm 的開口度)越低，進入大循環時間越短，且溫度波動也越小，與節溫器(分流)的趨勢是一致的，與其相比，溫度波動情況縮短了90%～95%，進入大循環的時間也縮短了87.5%～98%。通過仿真結果可以看出，冷卻系統中節溫器(合流)比節溫器(分流)溫度波動小很多，同時根據系統選定的節溫器的合流與分流方案，可以優化零部件選型與制定控制策略。

圖10 不同節溫器(合流)冷卻系統溫度

4 結論

本文基于30 kW 的PEMFC 系統建立了冷卻系統的分流和合流仿真模型，對主要的零部件進行了描述，并通過實驗驗證了模型的準確性，結果表明，與節溫器分流相比，合流更有益于冷卻系統的溫度穩定性；基于節溫器分流與合流的仿真模型，分別預測了不同外界環境、不同開度的節溫器對冷卻系統的影響，并做了對比分析，可以對控制策略進行優化與指導。