1、前言

 

隨著能源與環(huán)境問題的日益嚴重，清潔能源技術(shù)受到了世界各國的關(guān)注與重視。為了實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，汽車行業(yè)正在逐步轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車向電動汽車發(fā)展已經(jīng)成為主流趨勢。質(zhì)子交換膜燃料電池（Pro?ton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）具有能源轉(zhuǎn)換效率高、排放無污染、燃料來源廣、操作溫度低、啟停迅速的優(yōu)點，因而被公認為理想的車用能源轉(zhuǎn)換裝置。

 

但是，PEMFC的熱管理問題一直是限制其商用化的巨大挑戰(zhàn)。溫度異常會使PEMFC的正常工作性能大大降低甚至損壞相關(guān)組件。PEMFC內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)、氣液兩相流、電荷傳輸和質(zhì)量傳輸過程都與熱量傳輸緊密耦合，溫度變化對各項反應(yīng)活動都有影響。

 

PEMFC 的效率通常在 40%——60%之間，所以會有40%——60%的能量以熱量的形式產(chǎn)生。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機不同，PEMFC由反應(yīng)氣體帶出的熱量占其產(chǎn)熱量的比重很低，因此大量（約98%）的熱量都需要通過熱管理系統(tǒng)散出。為了維持 PEMFC 內(nèi)部溫度的均勻性，穩(wěn)定有效的熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的控制策略必不可少。

 

燃料電池電堆的正常工作依賴于空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)、水熱管理子系統(tǒng)和DC/DC的協(xié)調(diào)配合，因此其功率輸出響應(yīng)比較滯后。但某些車用工況（如啟停、急加速、爬坡）對功率輸出的實時性要求很高，所以單一的 PEMFC 系統(tǒng)很難作為車用動力源。動力電池能夠在功率需求高、變化幅度大的工況下彌補 PEMFC 無法滿足的部分功率，同時還可以在功率需求急劇下降和制動時進行能量回收，大大彌補了單一PEMFC系統(tǒng)的不足。

 

本文綜述了近年來關(guān)于車用PEMFC動力系統(tǒng)熱管理子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、產(chǎn)熱與散熱、控制策略和研究方法的相關(guān)創(chuàng)新成果，并且針對不同的研究工作指出了創(chuàng)新研究重點以及未來可能的創(chuàng)新研究方向。

 

2、熱管理子系統(tǒng)設(shè)計

 

車用 PEMFC 動力系統(tǒng)的產(chǎn)熱源數(shù)量較多，主要包括電堆、動力電池、中冷器和電子產(chǎn)熱元件。在熱管理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)該兼顧不同產(chǎn)熱源的散熱需求，保證系統(tǒng)的合理性與有效性。

 

2.1、單堆PEMFC系統(tǒng)

 

PEMFC系統(tǒng)包括空氣供應(yīng)、氫氣供應(yīng)和熱管理3個主要的子系統(tǒng)和電堆。典型的車用 PEMFC 系統(tǒng)功率等級都比較高，因此通常采用液體冷卻的方式。對于單堆 PEMFC 系統(tǒng)的熱管理問題，大多數(shù)研究都聚焦于電堆的冷卻液回路[8]。Cheng等對面向城市客車的 PEMFC 熱管理子系統(tǒng)進行了研究，該系統(tǒng)只考慮了單電堆的冷卻回路，利用水泵作為冷卻液動力源，冷卻液在電堆與散熱器之間循環(huán)使用（圖1）。趙洪波等則是在類似于圖1結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上在散熱器旁增設(shè)了節(jié)溫器，考慮了熱管理系統(tǒng)中的大小循環(huán)。

 

 

圖1 PEMFC熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

在 PEMFC 空氣供應(yīng)子系統(tǒng)中，經(jīng)過空氣壓縮機壓縮后的空氣溫度能夠達到 150 ℃以上 ，因此壓縮空氣需要經(jīng)過中冷器組進行降溫后才能進入電堆內(nèi)部參與反應(yīng)。有研究人員針對中冷器的散熱需求單獨設(shè)立了冷卻液回路，但是這樣做會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。周蘇等選擇將電堆冷卻液回路和中冷器冷卻液回路集成到一起，在熱管理系統(tǒng)中引入旁通閥來分配流入電堆和中冷器的冷卻液流量，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，針對此結(jié)構(gòu)也開展了部分研究工作 。俞林炯等針對 45 kW 的 PEMFC系統(tǒng)設(shè)計了熱管理子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并且建立了相關(guān)模型，通過仿真分析了不同操作條件對電堆溫度、冷卻液溫度和中冷器出口溫度的影響；周蘇等將電堆冷卻液旁通閥開度作為控制器的執(zhí)行器之一開發(fā)了系統(tǒng)的控制算法，在電堆的溫度控制問題上獲得了較好的控制效果。Zhou等針對溫度控制過程中系統(tǒng)寄生功率的問題進行了研究，在考慮系統(tǒng)功耗的前提下提出了1種基于最優(yōu)功耗的溫度控制算法，能夠降低系統(tǒng)的寄生功率。Xing等在燃料電池混合電動汽車相關(guān)系統(tǒng)的建模與仿真工作中，建立PEMFC熱管理系統(tǒng)模型時也采用了相同的結(jié)構(gòu)。

 

 

圖2 PEMFC熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

在不同的單堆PEMFC熱管理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，不考慮節(jié)溫器和中冷器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，有利于系統(tǒng)建模和控制器的開發(fā)，但是其無法完全滿足PEMFC在冷啟動過程中的需求，限制了其在系統(tǒng)中的應(yīng)用。增設(shè)節(jié)溫器但未考慮中冷器冷卻需求的系統(tǒng)能夠滿足相關(guān)的工況需求，但是其需要為中冷器額外增設(shè)水泵，使得系統(tǒng)較為復(fù)雜，不利于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的集成化；將節(jié)溫器、中冷器都集中到1個熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中不需要額外增設(shè)水泵，有利于系統(tǒng)的集成化，但是由于系統(tǒng)集成度較高，對控制器的算法開發(fā)提出了更高的要求。

 

2.2、燃料電池混合系統(tǒng)

 

PEMFC的運作依賴于空氣壓縮機、加濕器、循環(huán)泵輔助部件的正常運作，這導(dǎo)致搭載 PEMFC 系統(tǒng)的車輛在極限惡劣工況時輸出功率無法滿足車輛的實時需求。因此，車用 PEMFC 系統(tǒng)常與動力電池配合，在合理的能量管理策略下，動力電池能夠在車用工況過程中起到“削峰填谷”的作用，在彌補 PEMFC功率不足的同時還可以進行多余的能量回收和為電子電器供電等功能。但是動力電池的引入也增加了系統(tǒng)的熱源數(shù)目，在進行熱管理系統(tǒng)設(shè)計時也需要保證動力電池的正常散熱需求。戴海峰等對燃料電池插電式混合動力微型車所搭載的動力電池設(shè)計了熱管理系統(tǒng)，通過對動力電池的散熱需求計算指出微型車動力電池的產(chǎn)熱量較低，因此采用“風(fēng)冷”方式對動力電池進行散熱；李忠等對燃料電池混合軌道交通車輛所搭載的大功率動力電池進行了熱管理系統(tǒng)設(shè)計，采用液體冷卻回路對動力電池進行散熱，以“水+乙二醇”作為系統(tǒng)冷卻液，根據(jù)動力電池和PEMFC系統(tǒng)的復(fù)合運行工況驗證了系統(tǒng)設(shè)計的有效性。

 

在進行熱管理系統(tǒng)設(shè)計時也需要考慮動力系統(tǒng)中包括控制器、電動機和DC/DC等在內(nèi)的部件散熱需求。盧熾華等對整個PEMFC動力系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)進行了設(shè)計與建模，采用了各自獨立的回路結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)中多個熱源進行散熱，包括 PEMFC 電堆冷卻回路、動力電池冷卻回路、電驅(qū)動冷卻回路和空壓機冷卻回路，不同回路的結(jié)構(gòu)如圖3所示，對不同的散熱回路進行了建模與仿真分析，驗證了各個冷卻回路的散熱能力。Rehlaender等提出了1個集成的燃電混合動力系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)，將電驅(qū)動系統(tǒng)、PEMFC電堆、座艙和動力電池的冷卻回路按照不同的溫度需求集成為一體，較高溫度的驅(qū)動系統(tǒng)冷卻回路和較低溫度的動力電池冷卻回路分別通過熱交換器與PEMFC電堆冷卻回路和座艙冷卻回路耦合，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，通過建模仿真的方法驗證了所設(shè)計的熱管理子系統(tǒng)能夠滿足散熱需求。針對提出的熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，Rehlaender 等設(shè)計了對應(yīng)的控制策略，能夠?qū)ο到y(tǒng)中不同熱源的溫度進行合理控制，合理利用不同回路之間的耦合關(guān)系。Zhao 等也提出了燃電混合動力系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，單獨設(shè)計了動力電池冷卻回路、PEMFC電堆冷卻回路和電驅(qū)動系統(tǒng)冷卻回路，但是將3個冷卻回路分別與空調(diào)系統(tǒng)耦合，在一定的熱管理策略下能夠做到余熱利用。

 

 

圖3 動力系統(tǒng)熱管理結(jié)構(gòu)

 

 

圖4 集成熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

2.3、多堆PEMFC系統(tǒng)

 

單堆 PEMFC 系統(tǒng)的功率可以滿足中小型乘用車的需求，但是不能滿足大型乘用車和商用車的需求。多堆 PEMFC 系統(tǒng)具有更高的功率，并且能夠提高系統(tǒng)的容錯率，成為了 PEMFC 動力系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。但是多堆 PEMFC系統(tǒng)的熱源數(shù)量再次增多，因此其熱管理會變得更加困難。

 

多堆 PEMFC 系統(tǒng)的研究正處于起步階段，對其熱管理系統(tǒng)的研究工作也相對較少。多堆PEMFC系統(tǒng)的熱管理子系統(tǒng)需要兼顧不同電堆的散熱需求，Depature等提出了多堆PEMFC系統(tǒng)的串聯(lián)和并聯(lián)2種熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，串聯(lián)式熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)冷卻液依次流經(jīng)3個電堆，使得冷卻液溫度會在3個電堆中不斷升高，需要協(xié)調(diào)整個回路上冷卻液的溫度，這給熱管理帶來了很大的困難，并聯(lián)式熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)利用不同支路分配流經(jīng)不同電堆的冷卻液，這樣只需要關(guān)注電堆進出口冷卻液溫度即可，便于系統(tǒng)熱管理方案的實施，2種結(jié)構(gòu)如圖5所示，2種熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都包含了大小循環(huán)。Wu 等提出了 1 個 65 kW 的雙電堆系統(tǒng)，其熱管理子系統(tǒng)應(yīng)用了并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，利用水泵為2條支路提供冷卻液冷卻2個電堆，但是系統(tǒng)中只有1個回路，沒有考慮冷卻液的小循環(huán)。Zhou等在對多堆PEMFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的綜述中提出了面向多堆 PEMFC 系統(tǒng)的并聯(lián)熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且引入旁通閥將中冷器冷卻回路集成到系統(tǒng)中，同時考慮了電堆的大小循環(huán)，以滿足不同電堆和中冷器的散熱需求，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

 

 

圖5 多堆燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

 

圖6 多堆PEMFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

多堆PEMFC串聯(lián)式熱管理系統(tǒng)的主冷卻回路只有1個支路，因此結(jié)構(gòu)較為簡單，系統(tǒng)也更加集成化，但是在單個支路上有多個電堆使得系統(tǒng)的溫度控制較為困難，尤其是當(dāng)多個電堆的功率不同時，對于不同電堆的溫度控制甚至無法完成，所以其應(yīng)用前景較為有限。多堆PEMFC并聯(lián)式熱管理系統(tǒng)的主冷卻回路存在多個支路，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但是其能夠在多電堆相互耦合的情況下達到對不同電堆溫度單獨控制的目的，有助于系統(tǒng)控制器的開發(fā)，具有良好的應(yīng)用前景。

 

多堆PEMFC的熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以單堆PEMFC熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。串聯(lián)式多堆PEMFC熱管理系統(tǒng)直接在單堆PEMFC熱管理系統(tǒng)的主冷卻回路上設(shè)置多個電堆。并聯(lián)式PEMFC熱管理系統(tǒng)在單堆PEM?FC熱管理系統(tǒng)的主冷卻回路上增設(shè)支路來滿足多堆PEMFC 熱管理系統(tǒng)的冷卻液要求。2 種結(jié)構(gòu)都使得原有系統(tǒng)更加復(fù)雜，在集成化和控制器的開發(fā)方面變得更加困難。因此多堆PEMFC熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)集成和控制器的開發(fā)也是未來重要的研究方向。

 

3、PEMFC系統(tǒng)的產(chǎn)熱

 

整個燃料電池系統(tǒng)主要的產(chǎn)熱源為燃料電池電堆和中冷器組。Xing等研究了車用PEMFC系統(tǒng)的散熱需求，指出在整個PEMFC工作過程中，電堆的產(chǎn)熱量對熱管理系統(tǒng)提出的散熱需求占整個系統(tǒng)的 99%以上，而中冷器組的散熱需求占比低于1%。所以針對于PEMFC系統(tǒng)的產(chǎn)熱分析主要聚焦于電堆產(chǎn)熱。

 

圖7描述了PEMFC 的組成部分以及內(nèi)部反應(yīng)機理。質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane，PEM）和兩側(cè)的催化層、氣體擴散層以及雙極板共同組成了1個PEMFC單體。氫氣在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)分離成為電子和質(zhì)子，氧氣在陰極上發(fā)生還原反應(yīng)并與質(zhì)子和電子結(jié)合生成水，在化學(xué)反應(yīng)的過程中伴隨著能量和熱量的釋放：

 

 

PEMFC電堆內(nèi)部的熱量來源主要有電化學(xué)反應(yīng)的熵?zé)帷⒉豢赡娣磻?yīng)熱和電流產(chǎn)生的歐姆熱，它們大致占總放熱量的55%、35%和10%。

 

 

圖7 PEMFC組成結(jié)構(gòu)

 

PEMFC中的不可逆熱是由于化學(xué)反應(yīng)中帶電粒子克服過電位所產(chǎn)生的，陰極氧氣的還原反應(yīng)過電位較高使得不可逆熱主要在陰極產(chǎn)生 。2個電極上化學(xué)反應(yīng)熵變的不平衡使得陰極的產(chǎn)熱量更大，不利于維持PEMFC內(nèi)部溫度的均勻性。不可逆熱是PEM?FC中最大熱量來源，其對于電堆的溫度分布和整個系統(tǒng)的熱管理需求影響最大。

 

PEMFC在大功率運行工況下高電流密度所產(chǎn)生的歐姆熱占比較大。歐姆熱的產(chǎn)生與PEMFC內(nèi)部各層的電阻和接觸電阻有關(guān)，PEMFC的電阻由PEM的電阻所主導(dǎo)。隨著PEM制造工藝的提升，大大降低了PEM的電阻，因此其它部分的電阻和接觸電阻逐漸得到了關(guān)注。圖8表示了PEMFC內(nèi)部不同組分的面比電阻，圖8（a）展示了通過試驗測得的電堆內(nèi)部不同部位的面電阻，包括石墨碳端板（Gr）、氣體擴散層（GDL）、雙極板（BPP）、微孔層（MPL）、質(zhì)子交換膜（CCM）以及各部分之間的面比電阻；圖8（b）將圖8（a）中的面比電阻值按照不同類型進行了占比劃分；圖8（c）按照圖8（a）中各部分的電阻值外推出了一個單電池的面比電阻值；圖8（d）將圖8（c）中的面比電阻值按照不同類型進行了占比劃分。PEMFC各部分的電阻大小與很多因素相關(guān)，表1總結(jié)了PEMFC內(nèi)部電阻的研究進展。對于PEMFC內(nèi)部電阻的研究主要集中于雙極板和氣體擴散層。針對雙極板的電阻研究大多集中在材料特性和加工處理方面，針對氣體擴散層電阻的研究主要集中于操作條件對氣體擴散層電阻的影響。

 

 

圖8 PEMFC內(nèi)部各組分面電阻

 

 

4、PEMFC系統(tǒng)的傳熱

 

電堆內(nèi)部熱量的傳遞影響其溫度分布的均勻性。電堆與冷卻液之間的熱量傳遞決定了冷卻液是否能夠及時地將電堆內(nèi)部多余的熱量帶出系統(tǒng)。采取不同的方式改善系統(tǒng)的傳熱情況有助于保障系統(tǒng)各部件的正常和高效率運行。

 

4.1、電堆傳熱

 

熱量在PEMFC 內(nèi)部產(chǎn)生后，會在PEMFC 內(nèi)部各組件和外界環(huán)境之間傳遞。熱管理子系統(tǒng)也是利用傳熱來維持PEMFC的正常工作溫度以及內(nèi)部溫度的均勻性，避免溫度過高使得PEMFC效率降低甚至造成局部“熱點”損壞PEM，也避免溫度過低影響正常的電化學(xué)反應(yīng)。電堆傳熱也可以分為電堆內(nèi)部的熱量傳遞和電堆與外界的熱量傳遞2部分，內(nèi)部的熱量傳遞指包含雙極板、氣體擴散層和膜電極在內(nèi)的各組件之間的熱傳遞，而外部的熱量傳遞包含電堆與環(huán)境之間的對流傳熱、輻射傳熱以及雙極板和冷卻液之間的換熱。圖9顯示了PEMFC內(nèi)部不同組分所包含的熱量傳輸。

 

 

圖9 PEMFC內(nèi)部的熱量傳輸

 

電堆內(nèi)部的傳熱主要取決于各組件的熱阻以及不同組件之間的接觸熱阻，由于氣體擴散層是連接主要產(chǎn)熱組件（膜電極）和主要散熱組件（雙極板）的“橋梁”，其熱阻以及與其它組件之間接觸熱阻的大小對PEMFC內(nèi)部的傳熱性能影響很大。氣體擴散層中聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）的含量對其傳熱性能具有很大的影響，Burheim等通過試驗驗證了在一定的壓力下PTFE的加入會降低干燥的氣體擴散層的導(dǎo)熱系數(shù)，PTFE的含量會隨著氣體擴散層的老化降低，使得導(dǎo)熱系數(shù)增大。除此之外，外部操作條件也會對氣體擴散層的導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生影響，Xu等發(fā)現(xiàn)氣體擴散層隨著壓力的增大會具有更高的導(dǎo)熱系數(shù)，這是因為壓力降低了氣體擴散層的孔隙率，改善了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的接觸。PTFE含量和壓力的大小都會對氣體擴散層導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生影響，但是Burheim和 Xu 等都沒有研究它們之間的具體作用關(guān)系，而Chen等通過試驗研究了不同壓力和不同PTFE含量下氣體擴散層導(dǎo)熱系數(shù)的變化，指出PTFE含量較高的氣體擴散層增大壓力會降低導(dǎo)熱系數(shù)，PTFE 含量較低的氣體擴散層增大壓力會使得導(dǎo)熱系數(shù)升高。

 

不同組件之間的接觸熱阻會對電堆內(nèi)部傳熱產(chǎn)生很大的影響。Sadeghifar等研究了包括氣體擴散層PTFE含量、壓力和雙極板表面不平度在內(nèi)的不同因素對雙極板和氣體擴散層接觸熱阻的影響，PTFE含量和雙極板表面不平度的增加都會增大接觸熱阻，而壓力的增加則會降低接觸熱阻；Burheim等研究了氣體擴散層與微孔層之間的接觸電阻，發(fā)現(xiàn)微孔層的導(dǎo)熱系數(shù)最低，氣體擴散層次之，2者的過渡區(qū)間具有最好的導(dǎo)熱性能。Sadeghifar等建立了氣體擴散層和雙極板之間接觸熱阻的力學(xué)模型，利用建立的模型分析了不同的參數(shù)對接觸熱阻的影響，模型指出接觸熱阻隨著氣體擴散層孔隙率的增加而變大，在孔隙率超過89%時變化尤為顯著，氣體擴散層內(nèi)部的纖維直徑與接觸熱阻大致呈線性關(guān)系，纖維直徑越大，接觸熱阻越大。

 

實際PEMFC內(nèi)部的各組件熱阻分析是十分復(fù)雜的，因為熱阻分析只有在 PEMFC 正常工作的前提下才有意義。而當(dāng) PEMFC 正常工作時，其內(nèi)部伴隨著非常復(fù)雜的化學(xué)和物理變化，類似于氫氣、氧氣、水蒸氣乃至于液態(tài)水在PEMFC內(nèi)部的傳輸都會伴隨著熱量的流動。對于內(nèi)部熱阻而言，氣體傳輸、液態(tài)水含量 、溫度變化和相關(guān)物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)諸多因素都會對其產(chǎn)生影響。

 

4.2 、冷卻液傳熱

 

燃料電池的冷卻方式有空氣冷卻、液體冷卻和相變冷卻。車用PEMFC功率較大，并且其安裝在空間比較狹小密閉的環(huán)境中，電堆與環(huán)境之間的對流換熱和輻射傳熱的占比很小，因此為了獲得良好的熱管理效能，一般采用液體冷卻的方式。液體冷卻電堆的熱平衡可由下式表示：

 

 

式中，cstMT 為電堆的熱量變化；Qreact 為燃料電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量；Qelect 為燃料電池對外輸出的電能；Qm 為燃料電池內(nèi)部質(zhì)量流動所發(fā)生的熱量交換，包括陰極、陽極氣體流動以及冷卻液流動等；Qvap 為燃料電池內(nèi)部水相變所產(chǎn)生的潛熱；Qrad 為燃料電池與環(huán)境之間的換熱。

 

影響冷卻液傳熱的因素包括PEMFC電堆端、冷卻液本身以及散熱器端。冷卻液在PEMFC電堆端與雙極板直接接觸，因此冷卻液流道結(jié)構(gòu)對其換熱具有很大的影響，結(jié)構(gòu)簡單的流道便于加工，但是內(nèi)部流體換熱能力差，復(fù)雜流道則相反。Yu等研究了不同的冷卻流道形狀（圖10）對冷卻效果的影響，通過仿真指出傳統(tǒng)的蛇形流道A的冷卻效果以及對溫度均勻性的控制最差，但是其流體進出口壓降較小，螺旋流道C的溫度均勻性最好，但是由于流道的復(fù)雜性使得其進出口壓降較大。Rahgoshay等比較了蛇形流道和平行流道的冷卻性能，指出相對于更簡單的平行流道而言，蛇形流道具有更好的冷卻效果，并且采用蛇形流道也相應(yīng)的提高了PEMFC的工作性能。為了改善PEMFC內(nèi)部的溫度均勻性，有研究人員提出使用“之”字形新型流道，Afshari等也比較了其與直流道之間的優(yōu)劣性，指出“之”字形流道有助于增加散熱，但是同樣的也會增加進出口壓降。因此，在進行雙極板流道設(shè)計時應(yīng)該兼顧流道形狀對溫度分布的均勻性以及進出口壓降的大小。

 

 

圖10 PEMFC不同冷卻流道形狀

 

冷卻液本身的性質(zhì)也會影響相關(guān)的換熱過程。常用的PEMFC冷卻液為去離子水或乙二醇和水的混合物，后者屬于防凍冷卻劑，適用于低溫運行環(huán)境。考慮到汽車上可用空間不足，選用熱容更大的冷卻液能夠降低散熱器的尺寸、改善PEMFC的熱管理性能，所以對新型高效冷卻劑的需求也日益明顯。

 

納米流體被人們認為是大功率PEMFC冷卻劑的良好選擇，懸浮的納米顆粒可以提高流體的比熱容從而提高了流體的傳熱能力。Zakaria等為1個石墨冷卻板提供100 W的恒定加熱功率，將不同數(shù)量的AI2O3顆粒混合到水和乙二醇溶液中通過冷卻板中的狹小流道，以此模仿納米流體在PEMFC內(nèi)部的流動，通過試驗指出w（AI2O3）=5%的納米流體在雷諾數(shù)為170的條件下散熱效能超出水和乙二醇溶液7.3%，但是AI2O3顆粒的引入使得流體的密度和黏度增大，使得輸送液體的泵耗能更高；Bargal等通過試驗探究了納米流體對散熱器性能的影響，他們利用加熱器來控制流體進入散熱器的溫度，比較了不同濃度ZnO和AIN納米流體在不同流量下的換熱能力，指出納米粒子的添加能夠增強冷卻液的換熱能力，并且在同等條件下，ZnO作為納米粒子比AIN具有更好的換熱效果；Islam等將導(dǎo)電性最低的ZnO納米流體應(yīng)用到了2.4 kW的PEM?FC上，研究發(fā)現(xiàn)ZnO納米流體的應(yīng)用不會降低PEMFC的工作性能，并且能夠顯著降低PEMFC系統(tǒng)散熱器的尺寸，但是納米流體的壓降會隨著流量的增加而顯著增高，導(dǎo)致水泵功耗的增大。納米流體雖然是PEMFC冷卻劑的良好選擇，但是納米粒子的引入同樣會增加流體的導(dǎo)電性和黏度等物理特性，因此其在車用PEM?FC上的大范圍應(yīng)用還有待進一步探索。

 

5、熱管理控制

 

熱管理子系統(tǒng)的首要目標(biāo)是保證PEMFC的工作溫度處于適宜的區(qū)間，滿足其正常的工作需求。因此熱管理子系統(tǒng)正常功能的發(fā)揮需要控制器的作用，車用PEMFC多變的工況和較大的功率需求對控制器提出了更高的需求。控制器的設(shè)計需要滿足以下要求：良好的控制精度，保證維持 PEMFC 的溫度水平。較短的響應(yīng)時間，能夠滿足汽車多變復(fù)雜的工況。一定的抗干擾能力，保證整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

 

控制精度、響應(yīng)時間和抗干擾能力控制指標(biāo)需要控制算法來保障，經(jīng)典PID控制因其算法簡單和計算量低的特點得以廣泛應(yīng)用。Riascos等基于PEMFC內(nèi)部溫度與濕度耦合原理，研究了在控制過程中溫度的最優(yōu)控制問題并且給出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，基于PI控制成功將PEMFC 的溫度維持在最優(yōu)溫度，保證了PEMFC的工作性能。經(jīng)典 PID 控制器應(yīng)用于非線性較強的PEMFC熱管理子系統(tǒng)具有較大的限制，O'keefe等針對 PEMFC 熱管理子系統(tǒng)開發(fā)了變參數(shù)PI 控制器，確定了在一定電流拉載下對應(yīng)的最優(yōu)冷卻液流量，以25 A電流為界，提供了2套PI參數(shù)供控制器選擇以適應(yīng) PEMFC 在低電流工作區(qū)間內(nèi)的非線性，指出變參數(shù)PI控制器能夠較好的控制PEMFC的溫度。PID控制算法較為簡單，并且計算量較小，能夠滿足控制器算法在系統(tǒng)運行過程中的實時性要求，因此應(yīng)用較為廣泛。但是PID控制算法在多堆PEMFC中的應(yīng)用具有較多的限制，這是由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和系統(tǒng)的非線性造成的。

 

傳統(tǒng)的控制算法都是基于線性的系統(tǒng)模型或者需要精確的系統(tǒng)模型，而 PEMFC 系統(tǒng)內(nèi)部機理復(fù)雜且使用工況多變，會產(chǎn)生模型不匹配和系統(tǒng)干擾問題。Li 等建立了 16 階精確的 PEMFC 非線性模型，模型能夠精確反映 PEMFC 的特性，針對所建立的模型設(shè)計了變結(jié)構(gòu)控制方法，通過設(shè)計變結(jié)構(gòu)控制的趨近率以改善其抖振現(xiàn)象，能夠在一定程度上解決系統(tǒng)擾動和模型不匹配問題。Hu等針對所建立的模型設(shè)計了基于積分器的增量式模糊控制，利用模糊控制的特點來提升控制器的魯棒性，利用積分器來消除靜態(tài)誤差，通過仿真驗證了所設(shè)計控制器能夠快速準(zhǔn)確地控制 PEMFC 的溫度，并且對于外界干擾具有一定的抵抗能力。謝雨岑等利用伸縮因子調(diào)節(jié)模糊論域的范圍，設(shè)計了變論域模糊增量式控制器，通過仿真驗證指出變論域模糊增量式控制器具有更快的響應(yīng)速度，并且控制精度也明顯提高；Li等將系統(tǒng)的電流擾動以及不確定性擾動統(tǒng)一歸結(jié)成為“總擾動”，利用擴展?fàn)顟B(tài)觀測器估計系統(tǒng)的“總擾動”，引入了變結(jié)構(gòu)控制中的開關(guān)控制率，利用抗擾控制有效地降低了PEMFC系統(tǒng)的內(nèi)部擾動和外部擾動，并且開關(guān)控制律的引入加速了系統(tǒng)的輸出響應(yīng)。考慮模型非線性和系統(tǒng)干擾的控制算法能夠較好地處理在PEMFC運行過程中部分控制效果不好的情況，提高相關(guān)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與魯棒性，但是針對于模型失配程度較大或者產(chǎn)生重大故障情況下的控制器設(shè)計還需進行相關(guān)的深入研究。

 

PEMFC系統(tǒng)運行過程中各部件的操作條件有約束。模型預(yù)測算法能夠處理具有約束條件的系統(tǒng)控制問題，陳飛等設(shè)計了基于 PEMFC 熱管理模型的模型預(yù)測控制器，指出模型預(yù)測控制器相較于PID控制器而言更有助于降低系統(tǒng)的能耗，并且具有更快的反應(yīng)時間。Rojas 等 建立了 PEMFC 熱管理子系統(tǒng)的非線性模型，將模型線性化后作為控制器模型，在狀態(tài)觀測器中引入積分器以保證控制器中模型的無偏特性，通過仿真指出所設(shè)計的模型預(yù)測控制器能夠有效地解決 PEMFC 的溫度控制問題，并且對于模型失配和系統(tǒng)干擾具有一定的抵抗能力。模型預(yù)測控制算法需要在線求解1個開環(huán)優(yōu)化問題，常用的求解方法容易陷入局部最優(yōu)解而非全局最優(yōu)解，F(xiàn)an等在求解優(yōu)化問題的過程中應(yīng)用了遺傳算法，并且在建立預(yù)測模型的過程中采用模糊邏輯來擬合PEMFC 的特性，通過試驗驗證了所建立的控制器能夠在較短時間內(nèi)逼近目標(biāo)值，具有一定的魯棒性。在模型預(yù)測控制的建立過程中，PEMFC 的電力輸出通常被作為系統(tǒng)的可測擾動，因而便丟失了一部分有效信息，Li等將系統(tǒng)的電力波動作為系統(tǒng)的前饋引入到控制系統(tǒng)中，提高了模型預(yù)測控制算法的優(yōu)化效率，通過仿真得到了良好的結(jié)果后進行了試驗驗證。模型預(yù)測控制對于處理在約束條件下的系統(tǒng)控制問題具有良好的優(yōu)越性，適用于多堆 PEMFC 的溫度控制，并且具有良好的溫度控制效果。但是模型預(yù)測控制算法的求解復(fù)雜，需要占用較多的計算資源，如何提高算法的實時性是未來對于模型預(yù)測控制的研究方向。

 

在控制熱管理子系統(tǒng)的過程中，需要降低執(zhí)行器的能耗，有助于降低系統(tǒng)的寄生功率。Zhou等在對PEMFC熱管理系統(tǒng)設(shè)計控制算法時，基于穩(wěn)態(tài)控制與反饋控制結(jié)合的控制算法，通過調(diào)節(jié)控制參數(shù)來優(yōu)化系統(tǒng)功率消耗，在保證較好控制效果的同時降低了系統(tǒng)的功耗。Yu等研究了在大功率PEMFC系統(tǒng)熱管理問題中提高溫度分布的均勻性與降低泵寄生功率之間的權(quán)衡問題，指出控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速能夠有效地控制電堆溫度，在保證風(fēng)扇效能的同時降低泵的功耗有利于降低系統(tǒng)的寄生功率。但是Yu的研究沒有考慮到風(fēng)扇功耗的影響，Han 等選擇熱管理子系統(tǒng)中的風(fēng)扇、水泵和旁通閥作為執(zhí)行器對電堆溫度進行控制，通過仿真指出風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速對寄生功率的影響比水泵轉(zhuǎn)速對寄生功率的影響大，在對水泵轉(zhuǎn)速采用良好控制策略的同時要盡可能的降低風(fēng)扇的耗能。Saygi?li等對PEMFC系統(tǒng)的熱管理控制設(shè)計了3種控制策略，也考慮到了在溫度控制過程中的寄生功率問題，通過仿真對比也得出了類似的結(jié)論。

 

近年來，人工智能技術(shù)在 PEMFC 控制中也得到了相關(guān)的應(yīng)用，趙洪波等針對 PEMFC 熱管理子系統(tǒng)設(shè)計了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自抗擾控制器，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型代替非線性誤差反饋控制律，通過仿真驗證控制器的效能，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自抗擾控制器在不同程度噪聲的干擾下都具有較好的控制品質(zhì)。Rezaei 等在開發(fā)模型預(yù)測控制器的過程中利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠非線性逼近不同函數(shù)的特點，將預(yù)測模型用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型代替，在有噪聲干擾的情況下進行了仿真驗證，指出所設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型能夠較好的預(yù)測系統(tǒng)的動態(tài)，并且控制器在噪聲干擾下具有較好的控制效果。

 

6、熱管理研究方法

 

6.1 、建模仿真

 

PEMFC電堆的模型按照不同的建模維度可分為零維、一維、二維和三維模型。圖11顯示了PEMFC建模時的不同維度分布。

 

 

圖11 PEMFC建模維度信息

 

零維模型一般不考慮PEMFC中參數(shù)在空間維度上的變化，僅考慮系統(tǒng)的輸入輸出，因此模型較為簡單。零維模型在仿真過程中計算速度較快，并且能夠在一定程度上較好地反映 PEMFC 的運行特性，在控制器的開發(fā)和熱管理子系統(tǒng)部件的匹配選型方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。

 

一維模型考慮了PEMFC電堆在Y方向上的各項參數(shù)變化，例如PEMFC內(nèi)部雙極板、氣體擴散層、催化層和PEM的各項特性以及在Y方向上的傳質(zhì)和傳熱。在PEMFC熱管理中，一維模型可以研究電堆在Y方向上的溫度分布狀況 ，反應(yīng)不同單電池之間的差異。

 

二維模型在一維模型的基礎(chǔ)上，考慮到了電堆中沿Z或X方向上的參數(shù)差異。二維模型有助于研究電堆內(nèi)部流體在流動過程中的溫度變化、沿程壓力損失、傳熱傳質(zhì)和濃度變化問題。

 

三維模型是 PEMFC 最精確的模型之一，它能夠全方位、多尺度地表述 PEMFC 的各項傳熱傳質(zhì)與內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)。PEMFC的三維模型在計算求解的過程中耗時很長，在研究過程中通常保留對研究內(nèi)容影響最大的部分而對模型做出相應(yīng)的簡化。表2整理了一些典型的PEMFC建模仿真研究。

 

 

6.2、試驗研究

 

試驗手段一方面可以真實地分析系統(tǒng)參數(shù)對PEMFC的影響特性，另一方面可以作為建模與控制的驗證手段。柏興應(yīng)等通過試驗研究了相變冷卻技術(shù)在PEMFC系統(tǒng)中的應(yīng)用，將均溫板集成到1個含有5片單電池的電堆中，通過改變其電流拉載工況，研究電堆的溫度分布與輸出性能，得出均溫板能夠很好地保證電堆的正常散熱和正常功率輸出，并且在均溫板的作用下電堆的溫度均勻性良好。Zhao 等通過改變實際系統(tǒng)的冷卻液溫度得到在不同進出口溫差以及不同電流負載下的系統(tǒng)特性輸出，利用試驗數(shù)據(jù)驗證所建立模型的準(zhǔn)確性，為模型的建立提供了實際數(shù)據(jù)保障。Mohamed 等針對小型 PEMFC 產(chǎn)熱量較低的特點，提出升高電堆入口處冷卻液溫度的熱管理策略以降低熱管理子系統(tǒng)的寄生功率，通過試驗分析了提高電堆入口冷卻液溫度后動態(tài)工況對電堆性能的影響，并控制入堆冷卻液溫度到達50 ℃后再開啟散熱風(fēng)扇，結(jié)果指出此策略能夠維持電堆的正常工作溫度，但是由于溫差的減小使得冷卻速度下降。

 

PEMFC系統(tǒng)中電堆包含多片單電池，所以在電堆的不同部位會產(chǎn)生不同的溫度分布。實時測量方法能夠直接得到PEMFC內(nèi)部的溫度分布。不同的測量方法和相關(guān)的傳感器也先后在PEMFC內(nèi)部溫度分布的測量中得以應(yīng)用：如熱電偶 、微電機系統(tǒng)傳感器 、紅外熱成像、光纖傳感器等。開發(fā)新型傳感器以及采用適當(dāng)?shù)臏y量方法監(jiān)控單片電池和電堆中的溫度分布對PEMFC的熱管理具有重要意義。

 

PEMFC熱管理子系統(tǒng)的試驗?zāi)軌蝌炞C研究工作的準(zhǔn)確性和適用性，在不同的研究階段要根據(jù)實際情況合理權(quán)衡仿真研究與試驗驗證之間的結(jié)合。以控制器的開發(fā)為例，基于模型所設(shè)計的控制器取得較好的控制效果后在實際系統(tǒng)上進行檢驗，一方面可以驗證整個研究過程的合理性，另一方面也可以驗證所設(shè)計控制器的適用性。在試驗驗證之前還需要對系統(tǒng)測試需求進行總結(jié)與分析，以保證試驗的完備性與有效性。

 

7、結(jié)束語

 

對PEMFC熱管理方面的研究有助于提升熱管理效能，為PEMFC的正常工作提供合適高效的環(huán)境。本文通過對車用PEMFC熱管理系統(tǒng)的綜述，總結(jié)如下：

 

在熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，單堆和多堆PEMFC都會與動力電池結(jié)合作為整車動力源，整個系統(tǒng)熱源數(shù)目較多，需要兼顧不同熱源的散熱需求設(shè)計合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在保證散熱需求的同時盡量精簡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，合理利用系統(tǒng)的耦合關(guān)系，提高熱管理效能。

 

在 PEMFC 系統(tǒng)的產(chǎn)熱與傳熱方面，電堆是整個系統(tǒng)的主要產(chǎn)熱來源，降低電堆內(nèi)部的電阻有助于減少產(chǎn)熱，降低電堆內(nèi)部的熱阻有助于其內(nèi)部溫度的均勻分布。納米粒子的引入有助于冷卻液及時將電堆內(nèi)部的多余熱量帶出系統(tǒng)。

 

在 PEMFC 熱管理控制方面，采用合理的控制策略有助于提升整個系統(tǒng)的熱管理性能。通過引入人工智能方法來提升控制器的控制效果。在應(yīng)用控制策略時要結(jié)合控制效果與執(zhí)行器的寄生功率，保證在控制效果滿足要求的前提下盡量降低系統(tǒng)的寄生功率。

 

在 PEMFC 熱管理的研究方法方面，建模仿真與實驗驗證為主要研究手段，并且要根據(jù)研究進度合理地選擇研究方法。在開發(fā)的最后階段，應(yīng)該在實際系統(tǒng)上采用試驗的方式驗證最后的結(jié)果，保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和普適性。

 

針對車用 PEMFC 系統(tǒng)的熱管理問題，提出未來可能的研究方向：

 

（1）系統(tǒng)集成化

 

面向高功率應(yīng)用場景的多堆PEMFC系統(tǒng)的市場需求會逐漸增大，針對其高功率和多熱源的特性配備集成化的熱管理系統(tǒng)是必要的，在系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮其在車輛上布置時的空間限制問題，因此在系統(tǒng)集成和相關(guān)零部件匹配等方面需要做出相關(guān)研究。

 

（2）余熱利用

 

多熱源、高功率的系統(tǒng)意味著產(chǎn)熱量的增加，因此在系統(tǒng)集成時將余熱利用作為優(yōu)化條件之一有助于為系統(tǒng)集成提供相關(guān)的評價標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)的評價指標(biāo)為系統(tǒng)整體的能量效率。

 

（3）高性能冷卻液

 

更大的散熱需求會導(dǎo)致熱管理系統(tǒng)相關(guān)部件的尺寸增大從而提高了其安裝難度，開發(fā)類似于納米冷卻液的高性能冷卻液能夠增強冷卻液與電堆之間的換熱性能，有助于減小系統(tǒng)部件的尺寸。

 

（4）多熱源協(xié)同控制

 

熱源數(shù)目的增多使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，產(chǎn)生了更多的系統(tǒng)約束。面向于多熱源復(fù)雜系統(tǒng)的控制仍是研究的難點之一，有必要考慮復(fù)雜系統(tǒng)的不同運行狀態(tài)，制定相應(yīng)的控制策略，達到多熱源之間的協(xié)同溫度控制。