燃料电池发动机电堆散热的控制



燃料电池发动机电堆散热的控制

童正明1，黄浩明1，李立楠1，陈华2

（1上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093；2上海新源动力有限公司，上海201800）

摘要：在对质子交换膜燃料电池（PEMFC）进行热分析的基础上，搭建起36kW的燃料电池发动机散热系统的测试平台。借助测试平台，对燃料电池散热系统作了极端工况测试分析。分析表明，该散热系统能满足系统的散热要求。此外通过对不同组合散热风扇的散热能力进行了测试，积累了大量的基础数据和控制经验。最后以电堆出水温度误差、温度误差变化量和燃料电池功率为输入量，散热风扇的运行组数为输出量，制定出一套三维模糊控制规则。结果表明，该模糊控制规则能够保证燃料电池工作在最佳温度区间，温控误差符合设计要求。

关键词：质子交换膜燃料电池发动机；热管理；温度控制；模糊控制算法

第一作者及联系人：童正明（1955—），男，教授，主要研究方向为换热器性能测试、汽车热管理、过程装备系统集成。E-mail tzm15900414975 @163.com。

近年来，环境污染问题严重，煤、石油、天然气等不可再生资源日趋匮乏，如何更高效、洁净地使用能源以达到节能减排的目的已经成为全人类共同关注的议题[1]。为此，各国政府均在积极鼓励研究开发新能源汽车。以燃料电池为动力源的新型汽车自诞生以来备受关注，并迅速成为汽车领域的研究热点。燃料电池是一种基于电化学的发电装置，并不需要燃烧这一中间过程，而是通过化学反应将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转换为电能。因为没有经过热机过程，不受卡诺循环定论的限制，能量转换效率可达40%～60%。质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为燃料电池中的一种，不但突破卡诺循环限制，能量转换效率高，而且排放污染少，对环境极其友好，是一种高效清洁的新型能源[2]。

然而，PEMFC在发动机工作过程中，除了有效利用的电能，其余的能量则以热量的形式表现出来，约占总能量的50%。由于PEMFC是一种低温燃料电池，工作在60～85℃温度范围内性能最佳，与所处环境温度相比，散热温度差低，推动力小。随着研究开发的深入，其性能、功率均有大幅度提高，随之而来的是巨大的热负荷，如果不能及时、有效地散发出去，势必会对发动机系统的寿命和工作性能产生不利的影响[3]。因此，燃料电池热管理是目前燃料电池汽车研究的重点之一。为此，本文将对36kW的燃料电池发动机的电堆散热问题进行分析研究。

1　燃料电池发动机系统热分析

1.1热管理的必要性

不管是传统发动机系统，还是PEMFC发动机系统，工作温度一直都是影响其性能和稳定的一项重要指标[4]。温度的变化对电池性能影响很大：温度较低时，电池内各种极化加大，质子在质子交换膜中的扩散速率降低，交换膜内阻增加，这时就会产生过多的焦耳热，即电化学反应产生的电能转化的热能增加，使得电堆的性能变差，效率变低。当温度升高时，虽然质子扩散的速率增大，质子膜内阻变小，电池性能会相应地提升，但当温度过高时，质子交换膜将会严重失水，使得质子扩散过程中所受阻力增大，扩散速率变慢，电导率降低，致使电堆性能急剧下降[5]。

据相关资料介绍，来自发动机的故障占汽车总故障的50%，由冷却系统引起的故障占发动机系统故障的40%，由此可见，稳定可靠的冷却系统对整个汽车装置可靠性影响举足轻重。汽车冷却系统作用就是保证发动机在多变工况下均能工作在最佳温度范围内，提高发动机的可靠性、经济性[6-7]。而实现对燃料电池发动机系统的热管理，热分析是必不可少的。

1.2 PEMFC热量的产生

将PEMFC电堆视为一个开口系的能量系统：氢气、空气以及冷却水所具有的热力学能和化学能为进入该系统的能量，离开系统的能量则包括电堆产生的电能、反应生成的水和蒸汽带走的热量以及未参与反应的物质和冷却水带走的热量，而电堆热力学能的增加量是系统能量的增量。图1分析了电堆工作过程中的热量来源。

从图1可以看出电化学反应热来自于PEMFC的电化学反应，其中阴极发生吸热反应，阳极发生放热反应，但总反应是放热反应。反应式如式（1）～式（3）。

图1　产热分析图

阳极

阴极

总反应

根据反应方程式可知，氢气和氧气发生电化学反应生成水、电能和热量。在25℃、分压为1atm（1atm=1.013×105Pa），生成水为液态，反应焓变ΔH 为−285.8kJ/mol，反应热T×Δ S为−48.7kJ/mol。也就是每摩尔理想状态的氢气参与电化学反应，将会产生48.7kJ的热能和237.1kJ的电能。由于实际系统内阻存在，反应过程中产生的电能会有一部分转化为热能，即为电能损耗。所以系统生成的热量就是化学反应的焓变减去有效电能。可以按式（4）、式（5）计算。

1.3散热方案设计

本工作热管理对象是36kW的燃料电池发动机系统，其工作效率约为50%，也就是说其满负荷运行时最大产热量为36kW。最佳工作温度为70℃，允许最大温差为2℃。电堆额定运行的基本参数的基本参数如表1所示。

燃料电池发动机的散热系统包括两个部分：燃料电池电堆内部散热系统和燃料电池电堆外部散热系统。内部散热系统主要由双极板、冷却液流经管道以及冷却液组成，由于电堆内部冷却液总体热容有限，且循环流经各级双极板，随着电堆工作长时间的运行，冷却液温度势必越来越高，影响系统性能。燃料电池电堆外部冷却系统正是为了将集聚在电堆内部的热量转移出去而设计的。本工作重点关注燃料电池电堆外部冷却系统控制策略。

表1电堆额定运行基本参数

图2为电堆散热子系统流程图，以电加热水箱代替电堆作为电堆内部热源，热水经离心泵输入散热器组降温后流过板式换热器，最后进行流量测定回归水箱。加入板式换热器仅作为阻力件，不起其他作用。在散热器组的上下游各设置2个温度测点（T1、T2和T3、T4）和一个压力测点（P1和P2），环境气体测点为T6、T7，多点检测避免单点误差。电堆散热子系统中重要设备型号如表2所示。

图2　电堆散热子系统流程图

表2重要设备型号

一个车用散热器搭载两个散热风扇构成一个散热模块。在夏天高温的恶劣环境下，冷却水与气温温差的减小，会进一步降低该散热模块的散热能力。在温度自动控制过程中，往往较大的散热能力有利于系统温度的控制，同时，测试台可能会测量更大功率的PEMFC燃料电池发动机，有必要保证较大的散热余量。综合考虑，散热模块组合时采用6个散热器串并联的形式。

电加热水箱由5组加热棒进行加热，每组加热棒分别控制，单组加热棒的运行功率约7.2kW，整个加热水箱加热功率为36kW。

2　散热性能测试

本实验是在上海新源动力有限公司完成的。

图3　极端工况散热能力曲线

2.1极端工况下的散热能力

当燃料电池发动机以全功率36kW工作时发热量最大，如果散热系统能在这种极端工况下正常运行，则说明该散热系统满足要求。图3是在极端工况下即开启5组加热棒，总功率为36kW，所测得的散热能力曲线。

从图3可看出，测试环境温度基本上维持在26 ～28℃，当系统达到稳态并维持稳定状态30min后，通过降温过程得到的平衡温度为54℃，通过升温过程得到的平衡温度为53℃，说明在外界条件一致的情况下，两个过程达到的温度平衡点也一致。在稳定状态中，系统散热能力达到36kW，该散热系统满足系统散热需求。

2.2组合风扇散热能力

对于单个或若干组合风扇的散热能力进行测试，是积累基础数据，增加实际温控操作经验的必要过程。由于散热器管路采用串并联方式，在串联部分，冷却水流经不同散热器时温度不一样，散热效果不一样，因此把并联部分对应位置的两台散热风扇编成相同的分组号码，散热情况大致相同，更有利于温度控制。风扇分组情况如图4所示。

图4　风扇分组编号

环境温度与冷却液温度的温差是传热过程中的推动力，根据传热基本方程可以知道，气液温差与散热功率有一次线性关系。因此，将不同情况的散热功率与对应的温差数据，通过线性回归原理拟合出相应的线性关系绘制成图表，可以通过不同的气液温差（横坐标）与所需散热功率（纵坐标）找出相应的散热系统工况点。图5是不同组合散热风扇的散热能力与温差的线性关系。图中1组风扇散热表示开启第一组散热风扇，2组风扇散热表示开启第一组和第二组散热风扇，其他以此类推。

图5　不同散热风组散热能力与气液温差关系

3　基于模糊算法的散热控制

要设计一个模糊控制器，必须解决以下3方面问题[8]：①精确量的模糊化，把语言变量的语言值化为某适当论域的模糊子集；②模糊控制算法的设计，通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则，并计算模糊控制规则决定的模糊关系；③输出信息的模糊判决，并完成有模糊量到精确量的转化[9]。

本工作模糊控制的输入量为温度偏差E、温度偏差变化量EC和PEMFC发动机功率P（文中用小写表示精确变量，大写表示模糊变量），模糊控制的输出量U（k）控制研华PCI板卡I/O端口DO2-DO7输出开关量，从而控制散热风扇的开与闭，属于三输入一输出的三维模糊控制系统。

3.1温度偏差语言变量E的赋值

设温度偏差e的基本论域为[−10℃，+10℃]，选定E的论域为X={−5，−4，…，0，…，+4，+5}，则可得量化因子k=5=1，为语言变量E选取7e102

个语言值：NB、NM、NS、Z、PS、PM和PB，分别表示相较于设定值负大，负中、负小、零、正小、正中、正大。根据实际操作经验对相应隶属度进行赋值，如表3所示。

3.2温度偏差变化量语言变量EC的赋值

设偏差变化量EC的基本论域为[−30，+30]，选定EC的论域为X={−5，−4，…，0，…，+4，+5}，则可得的量化因子k=5=1，为语言变量EC选ec306 取7个语言值：NB、NM、NS、Z、PS、PM和PB，分别表示相对于设定值，设定值负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。根据实际操作经验对相应隶属度进行赋值，如表4所示。

3.3 PEMFC发动机功率语言变量P的赋值

设PEMFC发动机功率p的基本论域为[0，+36]，选定P的论域为X={0，1，…，+4，+5，+6}，则可得量化因子k =6= 1，为语言变量P选取7个

p366语言值：PBB、PB、PMM、PM、PS、PSS和Z，分别表示PEMFC发动机功率为36kW，30kW，…，6kW，0。根据实验操作经验对相应隶属度进行赋值，如表5所示。

3.4模糊控制规则

该控制系统属于三维模糊控制，按照功率P的每种状态，可单独制定相应的控制规则表，表6给出了当P=PBB时的控制规则。当P处于其他6种状态时也有相应的控制策略，共343条控制策略，构成了三维模糊控制器的全部控制规则。控制规则也可用一组模糊条件语句来描述，例如表6的规则若按行用模糊条件语句描述时，则第一行可用下列4条语句来表示：

表3温度偏差语言变量E赋值表

表4温度偏差变化量语言变量EC赋值表

表5功率语言变量P赋值表

表6模糊控制规则（P=PBB）

①if EC=NB and E=NB and P=PBB then U=TH；②if EC=NB and E=NM and P=PBB then U=FO；③if EC=NB and E=NS and P=PBB then U=FI；④if EC=NB and E=Z or PS or PM or PB and P=PBB then U=TH。

3.5模糊判决

模糊控制规则代表的是一组组的模糊关系，其中表6第一行控制规则的第四条模糊条件语句用关系计算式可以写为式（6）。

式中NB、TH、Z、PS、PM、PB、PBB等加注脚“ec”者为EC的语言变量，加“e”者为E的语言变量，加“p”者为P的语言变量，加“u”者为U的语言变量。则通过343个模糊关系Ri（i=1，2，3，…，343）的“并”运算，可以获取燃料电池发动机散热风扇控制规则的综合模糊关系R，如式（7）。

在实时控制中，如果本采样周期经过模糊化后的输入分别为e、ec、p和u，则（6）式所确定的模糊控制量为式（8）。

式中运算符的含义：“+”代表求并运算，“×”代表直积运算，“”代表模糊关系的合成运算。

按上述方法，可以针对论域E、EC、P全部元素的所有组合，求取相应的语言变量控制量变化U的模糊集合，应用最大隶属度法对此模糊集合进行模糊判决，求出以论域U＝｛0，1，2，3，4，5，6｝的元素表示的控制变化量，而论域U中不同的数值表示不同个数风扇的开启状态，从而实现了对PEMFC发动机散热的控制。

图6是依据本套模糊控制方法在36kW的燃料电池发动机散热系统测试平台中对燃料电池散热系统进行试验得到的电堆温度变化曲线。

从图6可知，在电堆预热期，电堆工作功率保持在8kW左右，发热量较小，电堆加热装置处于开启状态，电堆温度迅速上升，约1000s后，温度达到70℃，燃料电池发动机预热阶段结束。发动机正式开启后，功率瞬间达到20kW，散热风组全部开启，散热功率高于加热功率，电堆温度略有下降，在模糊控制规则下，散热风组开启数目减少，散热和加热功率趋于一致。在1900s时，电堆停止运行，散热风组全部关闭，电堆温度略有下降，30s后，电堆重新开始工作，功率维持在22kW，散热风组瞬时开启4组，散热功率大于电堆产热功率，电堆温度继续下降，后在模糊控制规则下，散热风阻降为两组，此时冷却系统散热功率与该工况下产热功率相当，电堆温度再次趋于稳定。电堆运行过程中，温度未出现大的波动，保持在70℃±2℃范围内，符合预期，满足设计要求。

图6　电堆温度与电堆功率变化曲线

4　结论

（1）针对电堆外部散热系统，做了极端工况散热性能测试，结果表明该散热系统能够满足系统散热需求。

（2）对不同散热风组散热能力进行测试，并根据实验数据利用线性回归原理拟合出散热风组散热功率与气液温差的关系方程。

（3）针对36kW燃料发动机系统建立了一套三维模糊控制方法，分析表明本套控制方法能保证温度控制在70℃±2℃范围内，满足设计要求，效果良好。

符号说明

E——理想输出电能，kJ

F——法拉第常数，96485C/mol

Iout——电池单体的实际输出电流，A

Q——总反应放热量，kJ

Qa——阳极放热量，kJ

Qc——阴极吸热量，kJ

Vequ——反应焓变完全转化为电能时电池单体的等效输出电压，V

Videal——理想情况下电池单体的输出电压，V

Vout——电池单体的实际输出电压，V

ΔQ ——电池单体的发热功率，W

参考文献

[1]李立楠.Plug-in燃料电池发动机电堆控制与优化[D].上海：上海理工大学，2014.

[2]Det Norske Veritas.2020 world energy outlook[R].International Energy Agency.Paris，2011.

[3]Guan Y C，Na D，Xue B L，et al.China’s low-carbon energy technologies and environmental pollution controls[J].Energy of China，2010，32（4）：9-14.

[4]衣宝廉.燃料电池——原理、技术、应用[M].北京：化学工业出版社，2003.

[5]Dutta S，Shmpalee S，Vanzee J W.Three dimensional numerical simulation of straight channel PEMfuel cells[J].J.Appl.Electrochem.，2000，30：135-146.

[6]张扬军，李希浩，黄海燕，等.燃料电池汽车动力系统热管理[J].汽车工程，2003，25（6）：561-565.

[7]李忠华，杜传进，侯献军.质子交换膜电池热管理研究[J].华东电力，2007（2）：19-22.

[8]章卫国，杨向忠.模糊控制理论与应用[M].西安：西北工业大学出版社，2000.

[9]李果，张培昌，余达太，等.电动车燃料电池控制系统[J].控制理论与应用，2008，25（2）：289-293.

研究开发

Thermal control of fuel cell engine stack

TONG Zhengming1，HUANG Haoming1，LI Linan1，CHEN Hua2

（1School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China;2Shanghai Xinyuan Power Co.，Ltd.，Shanghai 201800，China）

Abstract：Based on the thermal analysis of proton exchange membrane fuel cell，the test platform of 36 kW fuel cell engine cooling system was built.Then，the extreme condition test analysis was conducted for cooling system on the platform.It can be found that the cooling system can satisfy the cooling requirement of the system.In addition，a large amount of basic data and control experience are accumulated through testing the cooling capacity of different combinations of cooling fans.At last，a three dimensional fuzzy control rules are established，while inputs are the water temperature error of stack outlet，the temperature error variation and the fuel cell power，and the output is the group number of running cooling fan.Results show that the fuzzy control rules can guarantee the fuel cell works in a suitable temperature range and the temperature control error meets its design requirements.

Key words：PEMFC engine；thermal management；temperature control；fuzzy control algorithm

收稿日期：2014-07-25；修改稿日期：2015-03-27。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.08.016

文章编号：1000–6613（2015）08–3009–06

文献标志码：A

中图分类号：TK 46+3