高温甲醇燃料电池热管理系统设计

2020-04-01李毅袁永熠廖中亮

化工进展 2020年3期

李毅，袁永熠，2，廖中亮

（1湘潭大学机械工程学院，湖南湘潭411105；2苏州浩擎新能源科技有限公司，江苏苏州215131）

甲醇燃料电池由于其能量密度高，电池性能稳定，燃料易于储存运输，在车辆、船舶、电力等领域应用前景广泛，得到了国家的政策支持。实验表明，温度对甲醇燃料电池的稳态和动态性能具有明显影响，电池稳态性能和对于负载的动态响应随着电池温度升高而提升，而温度过高或过低都将直接导致电池性能恶化[1]。因此，配备稳定有效的热管理系统对燃料电池性能及使用寿命的提升十分重要[2-5]。

关于燃料电池温度控制策略，有文献提出了将模糊PID控制与模糊控制分别用于外部循环和内部循环的控制方法，总体温度偏差约为4℃[6]。另有学者提出了基于递归模糊神经网络的温度控制策略，使用四层网络连接结构实现模糊推理，具有较好的跟踪性能，需35s 达到稳态[7]。此类智能控制算法具有较好的控制精度及跟踪性，但由于算法结构较为复杂，工程实际中很难保证其实时性和稳定性，暂不能满足本文所针对的高温甲醇燃料电池系统工程应用要求。此前某型号高温甲醇燃料电池模块主要根据实时过热量进行风扇转速控制，控制效率滞后，温度波动范围较大，冷却系统采用肋板式风冷散热结构，存在结构笨重、换热效率低等问题。

针对上述问题，基于Matlab/Simulink平台提出了针对某高温甲醇氢燃料单电池模块的热管理系统控制拟合简化方程算法，在保证控温精度的前提下，最大限度简化控制系统计算模型，使其能广泛应用于工程实际。同时对冷却系统换热器进行了重新设计，采用紧凑的板翅式换热器结构，集成PTC加热模块，提升电池冷启动特性。

1 热管理系统设计

1.1 整体方案

该燃料电池热管理系统设计要求满足3.5kW散热功率，集成PTC电加热模块缩短冷启动时间，风扇和泵采用智能控制，温度控制精度要求±2℃，介质进出口温差小于10℃，利用高温余热对甲醇燃料进行预热。

基于上述要求，针对该电池进行了热管理系统方案设计，整体方案包括内、外双循环回路，内循环回路主要功能是甲醇燃料的预热汽化重整制氢，外循环回路的主要功能是智能冷却精确控温，稳定燃料电池电堆的工作温度，如图1所示。

1.2 控制算法

采用了一种基于经验模型的拟合简化方程算法，先根据实测试验和设计经验建立经验计算模型，标定燃料电池不同输出功率时的产热曲线和风扇、泵等部件的理想控制曲线，后将风扇、泵等部件的理想控制曲线使用一元对数函数、二次函数等简单函数进行拟合，同时根据燃料电池的实时输出进行产热量的预计算，实现温度控制预判并提前给出控制量，以此缩短温度控制响应时间，保证温度控制的精确性与时效性。此控制策略的设计理念是在保证控温精度的前提下最大限度简化控制系统计算模型，使其能广泛应用于工程实际。控制算法设计原理如图2所示。

基于上文分析，电池输出功率、温度传感器和压力传感器采集温度信号作为实时输入，控制系统根据各传感器数值及温度预判对电子风扇和循环水泵进行PWM控制，真正实现冷却系统按需而工作，满足燃料电池温控条件的同时尽可能减少能量损耗。系统控制逻辑如图3所示。此控制策略以极简化运算为设计思想，相较模糊PID、神经网络等智能算法，虽对于复杂工况的温度跟踪性较弱，但数学模型运算量小，系统响应更为迅速，适用于工况较为稳定的电池系统。

图1 燃料电池热管理系统整体方案简图

图2 燃料电池热管理系统拟合简化方程算法原理图

1.3 基于Matlab/Simulink平台的设计仿真

根据所提出的热管理系统控制逻辑，基于Matlab/Simulink 平台建立了热管理系统控制算法模型，主要模块有风扇控制模块（fan）、电子离心泵PWM 计算模块（bump）、燃料电池产热计算模块（FC HEAT）、散热量计算函数以及温度积分模块和温差计算自定义函数模块，如图4所示。

先通过燃料电池热交换模型计算燃料电池在不同输出功率下的冷却系统余热，再由风冷板翅式换热器传热理论公式得出各工况下所需的空气质量流速，根据风扇性能曲线反推得到风扇PWM 理想控制曲线。拟合得到简化的风扇PWM 控制方程经验模型，见式(1)。

拟合优度判定系数：R2=0.9865。

式中，y为风扇控制占空比；x为电池输出功率值，kW。

当温度输入大于等于163℃时风扇启动，风扇PWM 控制函数调整风扇转速，并对风扇性能曲线进行拟合计算，如图5所示。

风扇PWM控制函数见式(2)。

式中，f(t)表示风扇关于温度信号的控制函数，f(t)≥0；t为温度信号值，t≥163。

实际系统中离心泵PWM 参数由压力传感器信号作为输入进行计算调整，使系统稳定在某一工作压力，在仿真模型中按实际运行过程中不同时段的压力要求，给定时间信号作为输入。电子离心泵PWM计算模块如图6所示，泵速调整函数见式(3)。

式中，f(p)表示离心泵关于压力信号的PWM值；p为压力传感器信号值。

该系统的电化学反应热与极化热之和可通过测得燃料电池I-V曲线，利用式(1)[8]求得式(4)。

图3 燃料电池热管理系统控制逻辑框图

图4 燃料电池热管理系统控制算法模型

图5 风扇控制模块图

图6 电子离心泵PWM计算模块图（bump）

图7 燃料电池产热计算模块图

式中，Itotal为电池电流，A；Voutput为电池输出电压，V；N为电池数目，本系统为单电堆热管理系统，因此N=1。

将电池电流、输出电压信号根据实际工况用时间输入代替，并计算求得产热量ΔQ。考虑高温燃料电池辐射热损失，根据不同环境将所得值乘以修正系数（此为0.8），得到燃料电池冷却系统需求散热功率q。燃料电池产热计算模块见图7。

2 换热器设计

2.1 换热器结构

此前采用的换热器结构多为肋板式结构，体积和质量大，且介质容积大，不利于快速预热。本系统散热器为板翅式平行流散热器，见图8。散热器设计结构匹配燃料电池系统进出口，质量体积较之前大幅减小，散热容积尽量减小并配置6 根180W电加热棒实现开机快速升温，具体参数如表1所示。

表1 原换热器方案与优化方案参数对比

左右水室均为异型型腔如图9、图10所示，电加热棒安装块采用弧形设计，增大与热侧流体介质接触面积，优化介质流场。此系统工作温度高（介质温度160℃以上），散热系统内若残留空气无法排出，经受热膨胀形成气泡进入介质循环回路，会导致泵压力下降，使电池系统工作停止，因此进出水室型腔均设置为有利于气泡排出的斜面。同时集成了PTC 电加热棒安装模块，有利于电池预热快速升温。

图8 原方案与新方案换热器结构对比图

图9 进水水室型腔

图10 出水水室型腔

2.2 换热器传热计算

本系统中冷侧介质为空气，热侧介质为三乙二醇。利用H2O 热力学性质的统一基本方程[9]、IAWPS 公式[10]结合AP1700 网站MARS 模型求解得该系统中冷、热侧介质的物性参数。

设计换热器冷热侧f因子、j因子经验公式参考文献中的经验关联公式[11-12]分别见式(5)～式(8)。

式中，fh为热侧流体阻力因子；jh为热侧流体传热因子；de为热侧流体当量直径，m；α为换热器热侧波高与壁厚差值，m；Re为热侧流体雷诺数。

式中，fc为冷侧流体阻力因子；jc为冷侧流体传热因子；De为冷侧流体当量直径，m；Ld为换热器芯体厚度，m；Fh为换热器冷侧波高，m；δ为换热器冷侧带材壁厚，m；Re为冷侧流体雷诺数。

根据传热学基本原理及公式计算换热器在不同风量下的设计换热量，并得到换热器与风量相关的换热性能曲线如图11所示。

图11 换热器性能曲线

根据图11 换热器性能曲线拟合换热器散热量Q（kW）计算方程，见式(9)。

式中，qc为风量，m3/s。

3 装机试验数据分析

3.1 试验平台介绍

所搭建的试验平台见图12，主要包括电池安装台架、5kW 甲醇重整燃料电池单元模块、电控系统、冷却系统、电池输出负载调节系统和电池监控系统。电池安装台架为铝合金框架结构，整体结构分为3层，上层为电控系统电路板安装；中层为燃料电池重整室、燃烧室、电堆等系统安装；下层为冷却系统的安装。

电池运行试验方法是将各模块安装好之后开机，根据电池监控系统显示的温度、压力等参数通过负载调节系统对电池进行自动或手动搭载，电池运行时通过电池监控系统监控各关键部位进出口的温度传感器、压力传感器采集信号，数据采集时间间隔为2s。

图12 燃料电池试验平台简图

3.2 仿真温度曲线与实测温度曲线对比

利用搭建的Matlab/Simulink系统模型进行控制系统仿真运行试验，得到热侧介质温度曲线与电池实际工作热侧介质曲线如图13 所示。仿真系统中稳定工况温度设定为163℃，迭代运算中温度收敛于165.1℃。在此次实测中，温度稳定于163.5～165.5℃，实测温度误差基本可以稳定维持在±2℃以内，但仍然存在温度振荡幅度较大区域；电加热棒的局部加热作用使得电池预热时间短于预期值；实测温度趋势基本与系统仿真结果相同，因此该控制系统算法及仿真过程具有设计参考价值。

3.3 热管理系统优化前后温度曲线对比

图13 仿真温度曲线与实测温度曲线对比图

图14 原热管理系统与新热管理系统温度曲线对比图

图14 为电池原热管理系统（肋板换热器的被动风冷）与热管理系统（能量综合管理+智能冷却）的温度性能对比图。该燃料电池系统在介质温度125℃以上时开始小功率发电，由图可以看出，原换热器结构电池预热时间为2336s，优化换热器结构后电池预热时间为1658s，电池预热时间缩短了678s。

3.4 换热器温度均匀性测试

本系统散热器集成了电加热装置，进出口两侧每侧3根电加热棒，热源比较集中，因此在进出口型腔内部结构设计时需要考虑加热棒向介质的传热效率，避免局部温度过高引起的局部沸腾，同时也更为合理地利用能量，防止电能浪费。

本系统要求三乙二醇换热器进出口温差控制在10℃以内，实测三乙二醇进出口温差如图15所示，可以看出在一般工况下可以满足系统要求，但是在电池较长时间运行时进出口温差最大为12.5℃，因此对介质的流量控制函数是今后系统进一步优化的关键问题。

图15 换热器进出口介质温差曲线图

为了更准确地测量散热器从开始预热到电加热停止过程中实际温度分布数据，在散热器进口侧、出口侧外壁中点及散热器芯体4 个点（A、B、C、D）上布置了热电偶测量壁面温度，如图16所示。

实测温度数据折线图如图17 所示，横坐标为当天实际时间，纵坐标为温度值（℃）。

图16 散热器热电偶分布位置示意图

图17 各点实测温度随时间变化折线图

散热器芯体几乎没有温差，A、B、C、D各点温度曲线基本重合，说明流道设计较为合理，未出现流道阻塞，各内流道介质流量与流速一致性高。加热2160s时停止加热。由图17可以看出，在介质温度较低时，加热棒具有较好的加热效果，当进液端壁面温度达到100℃时，温度上升速度开始变慢。根据实测结果，壁面温度达到180℃时系统加热停止，此时介质温度为125～128℃，可以估算加热时外壁面温度与介质温度差值约为50℃。当外壁温度达到100℃时，介质温度约为50℃，实测电堆散热器工作环境温度为50℃，因此当介质高于环境温度时，散热器本身会造成一定程度的热量损失。今后的优化方向可以以此为考虑重点，通过增加一个加热回路的方式将电加热装置独立于散热器之外，可以有效防止热量损失，进一步缩短电堆预热时间，提高能量利用效率。