PEMFC发动机热管理与冷启动研究进展

2021年10月24日汽车技术评论1,8981阅读模式

【摘要】综述近年来质子交换膜燃料电池(PEMFC)发动机的热管理和冷启动研究进展。包括空气冷却、相变冷却和液体冷却等3种冷却形式;比例-积分-微分控制(PID)和模糊控制等热管理策略;内部加热、外部加热和停机吹扫等3种冷启动措施。阐述各方法的工作机理并进行比较分析,展望热管理和冷启动的发展趋势。

以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC),工作效率比传统动力装置效率高,约为40%～60%,消耗的燃料为可再生能源,理论上反应产物只有水,对环境无污染[1]。与传统内燃机不同,燃料电池发动机的工作温度较低,约为80℃,与外界温差小导致散热困难,且在外界温度低于0℃时启动难度大,因此对热管理和冷启动系统的要求较高。

本文作者对PEMFC热管理和冷启动的工作机制和控制方法进行了比较分析。

1 燃料电池堆的冷却方法

PEMFC在工作时将空气和氢气分别通入阴、阳极气体流道,经过气体扩散层(GDL)将反应气体输送到催化层(CL)。气体在催化剂的作用下发生化学反应,阳极氢气发生氧化反应生成氢离子和电子,电子通过外电路形成电流,氢离子通过质子交换膜到达阴极,与空气中的氧气和外电路到达的电子发生还原反应生成水。燃料电池的整个反应过程中,主要存在欧姆电阻热、水蒸气冷凝放热、反应熵热和电化学反应不可逆热等。这些热量使得电堆内部温度升高,但电堆内的关键部件质子交换膜的最佳运行温度约为80℃,因此PEMFC运行过程中需要散热[2]。燃料电池散热方式与传统散热方式相同,主要有相变冷却、空气冷却和液体冷却等3种。

1.1 相变冷却

相变冷却包括热管、蒸发冷却和流动沸腾冷却,在一定范围温度条件下通过改变自身的物理状态带走热量,而且自身温度在相变完成前几乎不变。

热管冷却依赖于吸热芯蒸发段的液体气化,将热量转移到冷凝段散发。A.P.Silva等[3]用3支热管对200W燃料电池进行散热,用去离子水作为工作介质,达到稳定温度的时间较长。M.V.Oro等[4]设计的扁平热管,以去离子水为工作流体,水平放置,可以耗散12W的热量。

蒸发冷却通过冷却液在低于沸点条件下从液态转变为气态带走热量,优良的蒸发冷却系统可将温度控制在±2℃内[5]。2012年伦敦奥运会期间,有5辆燃料电池出租车应用蒸发冷却系统进行冷却,在一段28.8 km的行程中,燃料电池出租车的总效率为53.8%[6]。

流动沸腾冷却具有较高的换热率,冷却的稳定温度取决于工质的沸点。姚鑫宇等[7]研究了去离子水的流动沸腾冷却,振幅温度小于10℃。

相变冷却在航天等领域中已有应用,具有在热管理过程中仅靠自身相变调节温度、不需要任何补偿的特点,因此在燃料电池热管理中极具潜力,但相关研究仅处于初步阶段,主要制约条件是相变材料增加了电堆的体积。

1.2 空气冷却

小功率(≤5 kW)电堆一般可采用空气冷却[8],运行期间产生的热量,通过冷却通道或边缘冷却鳍的空气对流散发到周围环境中。I.Tolj等[9]对1 kW电堆边缘冷却鳍进行重新设计,使电堆的最高温度下降14.05℃,平均温度下降10.96℃。冷却通道的尺寸、形状也会影响空气冷却结果。M.Matian等[10]研究通风冷却通道的高度和数量,认为增加冷却通道尺寸能实现更好的温度分布。

1.3 液体冷却

大功率(>5 kW)电堆的产热量更多,液体冷却是目前最稳定、有效且应用广泛的热管理方法。该方法可使燃料电池的内部温度分布更均匀,有利于电池的稳定性和耐久性[11]。

冷却液可选择去离子水、乙二醇与水的混合物和含纳米颗粒的流体等。乙二醇与水的混合物会腐蚀流道,改变冷却液的电导性;含纳米颗粒流体的冷却效果较好,但产生的寄生效率较高;水的比热容较高、价格低廉,但水中的离子会影响电堆的导电性,还会腐蚀液体流道,因此冷却液体多为去离子水[12]。

目前,丰田Mirai、本田Clarity和现代Nexo等3款燃料电池汽车均是使用液体冷却带走电堆废热[13]。它们的散热系统如图1所示。

如图1所示,本田Mirai在热管理中没有冷启动加热装置,说明冷启动时不使用外部加热,使用主副两个散热器可提高散热性能,用中冷器降低加压空气温度,并对中冷器进行散热;本田Clarity在散热系统中使用电子节温器,控制经过散热器的液体流量,进而控制燃料电池温度;现代Nexo使用四通阀,管理各通道冷却液体的流量,控制电堆温度,用两个加热器在冷启动时为电堆供热,可在-30℃情况下用30 s完成冷启动[14]。

图1 部分燃料电池电动汽车PEMFC发动机散热系统流程
Fig.1 PEMFC engine cooling system flow of some fuel cell electric vehicle

PEMFC的工作温度为80℃左右,与外界的温差小,散热难度较大。通过对上述冷却方法的概述发现,相变冷却在燃料电池热管理领域尚属起步阶段,作为实验测试应用于燃料电池;空气冷却结构最简单,只需在电堆附加边缘冷却鳍,但散热量较小,只适用于小型电堆;液体冷却与空气冷却和相变冷却不同,冷却液的高比热容能带走更多的热量,散热性可靠,在燃料电池汽车中应用较成熟。

2 热管理控制策略

控制策略通过控制泵的转速,调节冷却液流量、控制风扇转速,来提高散热效率。一般是在燃料电池刚启动时提供热量或不进行散热,让电堆较快达到稳定工作的温度;当燃料电池继续反应放热,且持续的热量使电堆内部即将超过工作最高温度时,控制系统得到信号,驱动风扇加大转速、泵增加流量,带走废热;当稳定后,电堆多余的热量和冷却系统带走的废热趋于平衡[15]。当燃料电池的功率频繁变化时,对电池热管理系统的考验加大。不同功率下燃料电池的散热量不同,需要热管理系统调节相关部件的动态参数,改变散热性能,以满足电池工作要求。热管理主要采用比例-积分-微分(PID)控制、模糊控制等两种较为简单、鲁棒性强的控制方法。

2.1 PID控制

V.Liso等[16]使用PID控制风扇转速,冷却液流量由电堆电流前馈调节。当电流阶跃时,水泵先响应,增大流量,之后风扇打开。J.Hwang[17]严格控制燃料电池的冷却液入口温度(SCIT),通过协调加热器、两个风扇和冷却剂分配等控制策略,对燃料电池进行热管理,当SCIT为58～63℃时,此热管理控制方案可靠。

2.2 模糊控制

相比于PID控制,模糊控制应用人的知识,干扰控制对象,是一种非线性智能控制,具有更好的鲁棒性和反应速度,对于滞后、时变和非线性系统有独特的优势。P.Hu等[18]用增量模糊控制,调节冷却剂流量和旁通阀的系数,维持电堆温度,当负载发生阶跃时,鲁棒性更好;当电流上升时,加大旁通阀的开度,可提供更多的散热量。K.Ou等[19]用模糊控制器管理燃料电池的工作温度,脉冲宽度调制控制风扇的转速,以调节温度,总体对5个函数使用模糊逻辑耦合调节。

2.3 复杂的控制方法

将基于计算机科学、人工智能等学科发展的智能控制用于燃料电池热管理系统,可通过不断学习提升控制系统的能力和稳定性,解决复杂的实际问题,但是价格较高且系统存在不确定性,导致当前的应用偏少。X.Li等[20]提出的可变结构控制算法,具有克服振动和外部干扰的能力,能使控制系统更好地管理燃料电池温度。S.L.Cheng等[21]用高级控制器监测燃料电池温度,反馈控制基于线性二次型调节算法,在实际应用中,冷却液温差可保持在±5℃以内。

对于PEMFC这种多输入、多输出的非线性系统,高级的控制系统对热管理的效果较好,但意味着控制更复杂、不确定性增加。各种控制系统都能实现燃料电池的热管理,其中PID控制在工业控制中最常见,控制参数设置简单,广泛应用于燃料电池热管理控制,但存在调节时间较长、温度可能过冲等缺点;模糊控制不需要准确的数学模型,能将负载变化引起的扰动降到最低,响应速度快;基于人工智能等更复杂的控制方法在应对负载阶跃时温度波动更小,动态响应更迅速,但是系统的不确定性高。

2.4 寄生功率

寄生功率包括风扇、泵和加热装置等为燃料电池正常工作所消耗的功率。目前,大多数研究仅考虑风扇和泵的寄生功率,发现对泵和风扇的反馈控制比传统控制更有效,而且工作时风扇的寄生功率比泵大[22]。在稳定工作时,泵和风扇功率的合理分布可降低整体寄生功率。J.Ahn等[23]提出一种将寄生功率考虑在内的集成控件状态控制策略,冷却液流量上升时间比比例-积分(PI)控制快4倍,电堆入口冷却液温度上升时间快3倍,氧过量比保持在最佳值附近。

3 燃料电池堆的冷启动

3.1 冷启动简介和评价指标

燃料电池冷启动是推广应用的主要挑战之一。

冷启动是将燃料电池从零下温度启动并运行至工作温度。燃料电池的典型冷启动可分为3个阶段[24]:①冷启动开始,电池阴极开始出现产物水,且阴极催化层首先达到水饱和,本阶段没有冰产生。②阴极催化层达到水饱和,继续产生的水在阴极侧结冰,同时电堆反应生热。当反应产生的热在阴极催化层被冰完全覆盖之前未将电堆升到冰点以上,冷启动失败;反之,电堆温度达到冰点,冰开始吸热融化,电堆温度维持在结冰点,直至冰全部融化。③当冰全部融化后,电池温度上升到工作温度,开始正常工作。

研究表明,如果没有明显的温度上升趋势,则电池温度达到0℃也不一定意味着冷启动的成功[25]。冷启动的评价指标主要是启动所需时间和成功启动的最低温度。

3.2 停机吹扫

燃料电池停机吹扫可减少内部残留水,确保在冷启动时为气体留出更多的反应通道。目前,燃料电池在停车后会立即进行吹扫操作,以免电池在温度为0℃以下的环境时,内部水相变发生体积膨胀造成的损坏。停机吹扫的评价指标是吹扫时间和吹扫后内部的湿度。

脉冲鼓风吹扫是应用广泛的基本吹扫方法,原理是在电池关机后由阴极气体供应系统继续向电堆内部鼓风。由于内部水浓度差异较小,气体扩散层几乎为毛细结构,这种方法的效率较低,需要的吹扫时间很长[26]。许澎等[27]发现,膜中的水量与初始电池温度呈正相关,停机后立即吹扫,可减少膜含水量;阴阳极同时吹扫,可缩短吹扫时间。

失压吹扫通过突然降低进气压力,利用气体在压力降低时带走更多的水蒸气。该方法要求电堆内部组件有较高的机械强度,以免压差损伤内部组件。林立等[28]对不同压力和不同时间的吹扫进行比较,发现提高吹扫压力和延长吹扫时间均有利于冷启动。H.Tang等[29]用真空辅助氮气吹扫,发现此方法去除质子交换膜和催化剂层中水的效果较好。

3.3 外部加热

外部加热可让燃料电池达到工作温度,缺点是需要额外的能耗,降低燃料电池效率。外部加热主要分为电加热和催化燃烧加热等。

电加热通常使用加热装置局部加热或对冷却液、进气预热,将热量带入到电堆内部。局部加热通常用电热丝直接加热电堆内部区域,但要严格控制温度阶跃,过快的温升,会损坏膜电极;过慢的温升,会降低冷启动速度。L.J.Li等[30]用加热丝加热阴极气体扩散层局部,为燃料电池冷启动提供热量,发现:在恒定的加热功率密度下,可明显改善燃料电池冷启动能力,并且能实现更高的能量效率。Y.B.Zhou等[31]在冷启动时,用外部热源加热中间或端板部分的单体电池,实现了-20℃下的冷启动。通过预热冷却液或进气加热,电堆的热均匀性好,但预热需要一定的时间。Z.J.Zhan等[32]提出一种分段预热的方法,对2 kW燃料电池堆的实验表明:进气和端板同时预热,冷启动所用的时间最短。

近年来,氢氧混合催化燃烧技术发展较快,可用到燃料电池冷启动中,但必须加装燃烧器用于催化反应,增加了整体质量和系统的复杂性。郑俊生等[33]实验得出,在催化反应稳定后供热,可以加快燃料电池温度提高的速度,对阴阳极同时加热和增加混合气体流量,都会加快温升速率。当气体流量由1 L/min变为5 L/min时,冷启动时间缩短64%。

外部加热可以实现冷启动,消耗的能量高,在实际中有应用但使用可行性不高,可作为辅助升温方法,联合其他升温措施,一同进行冷启动。

3.4 内部升温

内部升温是控制自身产热特性和利用混合气体的反应产热。内部升温方法主要有:控制电堆输出特性升温、饥饿自升温和催化加热等。

控制电堆启动的电流或电压,可在启动时放出热量,融化低温下生成的冰。由于恒流法易于控制,目前大多数实验和建模都是研究的恒流法冷启动。在电堆所处不同模式下,低电流密度有利于降低冰的形成速度,而高电流密度有助于升温[34]。A.Santamaria等[35]在冷启动时,用恒流法控制产热,得出较高的电流密度会产出更多的热和水,且阴极的温升高于阳极。

相比于恒流模式,恒压启动产生的热量更多,冷启动时间更短,但恒压冷启动的前提是质子交换膜相对干燥,且启动过程难以控制,因此常用电流密度斜坡方法近似恒压[36]。K.Jiao等[37]分析恒压0.7 V和0.3 V的冷启动失败案例,发现0.3 V的最高温度比0.7 V时的高5.3℃,得出较低的电压可帮助燃料电池快速冷启动。

燃料电池在恒定负载情况下的启动特性,可以更好地平衡产热和结冰,与恒流和恒压模式完全不同[38]。Y.Luo等[39]对基于低电流的恒功率冷启动进行研究,发现启动功率越高,冰形成的速度越慢,冷启动时间越长。A.Amamou等[40]动态调整燃料电池的最大功率,使电池一直在高功率下工作,相比恒流和恒压法的冷启动时间短、消耗能量少。

PEMFC缺乏氧化剂时,穿过膜的质子与到达阴极的电子会直接形成氢气,像氢泵一样工作,激发出热量,这就是饥饿自升温。这一方法的优点是操作成本低、温升均匀性好。G.S.Zhang等[41]研究饥饿状态对燃料电池的影响,发现:在电流控制下对氢氧的轻微饥饿,都会严重影响电池温度的稳定性,在电压控制下,只有在非常严重的饥饿状态下,才会对电池的温度和电流造成影响。

氢氧催化加热是向电堆阴极或阳极气体流道中通入按一定比例混合的反应气体,通过它们之间发生的反应,加热电堆。R.E.Silva等[42]研究了燃料电池在短路或近乎短路的情况下,控制氢气消耗量,引起温度急剧升高,加热电堆的启动方式,丰田Mirai就是用这种方法冷启动。虽然此方式能快速冷启动,但短路升温的方法很危险,如果供给气体量出现微差,将导致整个电堆烧毁。Q.Guo等[43]研究阳极氢氧反应辅助加热电堆,发现降低电堆电流密度有助于冷启动,但低电流密度下的发热量低、冷启动时间长。

外部加热和内部升温都可进行快速冷启动,外部加热会增加一定的系统复杂度和电堆体积,在消耗燃料电池功率的前提下对电堆进行加热,其中催化燃烧加热还需增加燃烧器和相应的辅助部件,导致实际应用困难;控制电堆特性内部升温所需能量较少且产热速率快,对电堆内部器件的影响小,但对反应控制的要求高,对电压、电流和反应气体等准确控制可实现快速冷启动,控制的丝毫差错都可能造成电堆损坏等严重后果。