「技术研究」燃料电池动力系统热管理研究，热管理

质子交换膜燃料电池（以下简称PEMFC）的热管理问题一直是限制其商用化的巨大挑战。温度异常会使PEMFC的正常工作性能大大降低甚至损坏相关组件。PEMFC内部的电化学反应、气液两相流、电荷传输和质量传输过程都与热量传输紧密耦合，温度变化对各项反应活动都有影响。

PEMFC 的效率通常在40%~60%之间，所以会有40%~60%的能量以热量的形式产生。与传统内燃机不同，PEMFC由反应气体带出的热量占其产热量的比重很低，因此大量（约98%）的热量都需要通过热管理系统散出。为了维持PEMFC内部温度的均匀性，稳定有效的热管理系统结构以及相应的控制策略必不可少。

燃料电池电堆的正常工作依赖于空气供应子系统、氢气供应子系统、水热管理子系统和DC/DC的协调配合，因此其功率输出响应比较滞后。但某些车用工况（如启停、急加速、爬坡）对功率输出的实时性要求很高，所以单一的PEMFC系统很难作为车用动力源。动力电池能够在功率需求高、变化幅度大的工况下弥补PEMFC无法满足的部分功率，同时还可以在功率需求急剧下降和制动时进行能量回收，大大弥补了单一PEMFC系统的不足。

1 热管理子系统设计

1.1 单堆PEMFC 系统

PEMFC系统包括空气供应、氢气供应和热管理3个主要的子系统和电堆。典型的车用PEMFC系统功率等级都比较高，因此通常采用液体冷却的方式。对于单堆PEMFC系统的热管理问题，大多数研究都聚焦于电堆的冷却液回路。Cheng等对面向城市客车的PEMFC热管理子系统进行了研究，该系统只考虑了单电堆的冷却回路，利用水泵作为冷却液动力源，冷却液在电堆与散热器之间循环使用（图1）。

在PEMFC空气供应子系统中，经过空气压缩机压缩后的空气温度能够达到150 ℃以上，因此压缩空气需要经过中冷器组进行降温后才能进入电堆内部参与反应。有研究人员针对中冷器的散热需求单独设立了冷却液回路，但是这样做会增加系统的复杂性。

在不同的单堆PEMFC热管理子系统结构中，不考虑节温器和中冷器的系统结构简单，有利于系统建模和控制器的开发，但是其无法完全满足PEMFC在冷启动过程中的需求，限制了其在系统中的应用。增设节温器但未考虑中冷器冷却需求的系统能够满足相关的工况需求，但是其需要为中冷器额外增设水泵，使得系统较为复杂，不利于系统结构的集成化；将节温器、中冷器都集中到1个热管理系统结构中不需要额外增设水泵，有利于系统的集成化，但是由于系统集成度较高，对控制器的算法开发提出了更高的要求。

1.2 燃料电池混合系统

PEMFC的运作依赖于空气压缩机、加湿器、循环泵辅助部件的正常运作，这导致搭载PEMFC系统的车辆在极限恶劣工况时输出功率无法满足车辆的实时需求。因此，车用PEMFC 系统常与动力电池配合，在合理的能量管理策略下，动力电池能够在车用工况过程中起到“削峰填谷”的作用，在弥补PEMFC功率不足的同时还可以进行多余的能量回收和为电子电器供电等功能。但是动力电池的引入也增加了系统的热源数目，在进行热管理系统设计时也需要保证动力电池的正常散热需求。

在进行热管理系统设计时也需要考虑动力系统中包括控制器、电动机和DC/DC等在内的部件散热需求。卢炽华等对整个PEMFC动力系统的热管理系统进行了设计与建模，采用了各自独立的回路结构对系统中多个热源进行散热，包括PEMFC电堆冷却回路、动力电池冷却回路、电驱动冷却回路和空压机冷却回路，不同回路的结构如图2所示，对不同的散热回路进行了建模与仿真分析，验证了各个冷却回路的散热能力。

1.3 多堆PEMFC 系统

单堆PEMFC系统的功率可以满足中小型乘用车的需求，但是不能满足大型乘用车和商用车的需求。多堆PEMFC 系统具有更高的功率，并且能够提高系统的容错率，成为了PEMFC动力系统未来的发展方向。但是多堆PEMFC系统的热源数量再次增多，因此其热管理会变得更加困难。

多堆PEMFC系统的研究正处于起步阶段，对其热管理系统的研究工作也相对较少。多堆PEMFC系统的热管理子系统需要兼顾不同电堆的散热需求，Depature等提出了多堆PEMFC系统的串联和并联2种热管理系统结构，串联式热管理系统结构冷却液依次流经3个电堆，使得冷却液温度会在3个电堆中不断升高，需要协调整个回路上冷却液的温度，这给热管理带来了很大的困难，并联式热管理系统结构利用不同支路分配流经不同电堆的冷却液，这样只需要关

注电堆进出口冷却液温度即可，便于系统热管理方案的实施，2种结构如图3所示，2种热管理系统的结构都包含了大小循环。

多堆PEMFC串联式热管理系统的主冷却回路只有1个支路，因此结构较为简单，系统也更加集成化，但是在单个支路上有多个电堆使得系统的温度控制较为困难，尤其是当多个电堆的功率不同时，对于不同电堆的温度控制甚至无法完成，所以其应用前景较为有限。多堆PEMFC并联式热管理系统的主冷却回路存在多个支路，结构较为复杂，但是其能够在多电堆相互耦合的情况下达到对不同电堆温度单独控制的目的，有助于系统控制器的开发，具有良好的应用前景。

多堆PEMFC的热管理系统结构以单堆PEMFC热管理系统结构为基础。串联式多堆PEMFC热管理系统直接在单堆PEMFC热管理系统的主冷却回路上设置多个电堆。并联式PEMFC热管理系统在单堆PEM?FC热管理系统的主冷却回路上增设支路来满足多堆PEMFC热管理系统的冷却液要求。2种结构都使得原有系统更加复杂，在集成化和控制器的开发方面变得更加困难。因此多堆PEMFC热管理系统的结构集成和控制器的开发也是未来重要的研究方向。

2 PEMFC系统的产热

整个燃料电池系统主要的产热源为燃料电池电堆和中冷器组。Xing等研究了车用PEMFC系统的散热需求，指出在整个PEMFC工作过程中，电堆的产热量对热管理系统提出的散热需求占整个系统的99%以上，而中冷器组的散热需求占比低于1%。所以针对于PEMFC系统的产热分析主要聚焦于电堆产热。

图4描述了PEMFC的组成部分以及内部反应机理。质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）和两侧的催化层、气体扩散层以及双极板共同组成了1个PEMFC单体。氢气在阳极发生氧化反应分离成为电子和质子，氧气在阴极上发生还原反应并与质子和电子结合生成水，在化学反应的过程中伴随着能量和热量的释放。

PEMFC电堆内部的热量来源主要有电化学反应的熵热、不可逆反应热和电流产生的欧姆热，它们大致占总放热量的55%、35%和10%。

PEMFC中的不可逆热是由于化学反应中带电粒子克服过电位所产生的，阴极氧气的还原反应过电位较高使得不可逆热主要在阴极产生。2个电极上化学反应熵变的不平衡使得阴极的产热量更大，不利于维持PEMFC内部温度的均匀性。不可逆热是PEM?FC中最大热量来源，其对于电堆的温度分布和整个系统的热管理需求影响最大。

PEMFC在大功率运行工况下高电流密度所产生的欧姆热占比较大。欧姆热的产生与PEMFC内部各层的电阻和接触电阻有关，PEMFC的电阻由PEM的电阻所主导。随着PEM制造工艺的提升，大大降低了PEM的电阻，因此其它部分的电阻和接触电阻逐渐得到了关注。

PEMFC各部分的电阻大小与很多因素相关，表1总结了PEMFC内部电阻的研究进展。对于PEMFC内部电阻的研究主要集中于双极板和气体扩散层。针对双极板的电阻研究大多集中在材料特性和加工处理方面，针对气体扩散层电阻的研究主要集中于操作条件对气体扩散层电阻的影响。

3 PEMFC系统的传热

电堆内部热量的传递影响其温度分布的均匀性。电堆与冷却液之间的热量传递决定了冷却液是否能够及时地将电堆内部多余的热量带出系统。采取不同的方式改善系统的传热情况有助于保障系统各部件的正常和高效率运行。

3.1 电堆传热

热量在PEMFC内部产生后，会在PEMFC内部各组件和外界环境之间传递。热管理子系统也是利用传热来维持PEMFC的正常工作温度以及内部温度的均匀性，避免温度过高使得PEMFC效率降低甚至造成局部“热点”损坏PEM，也避免温度过低影响正常的电化学反应。电堆传热也可以分为电堆内部的热量传递和电堆与外界的热量传递2部分，内部的热量传递指包含双极板、气体扩散层和膜电极在内的各组件之间的热传递，而外部的热量传递包含电堆与环境之间的对流传热、辐射传热以及双极板和冷却液之间的换热。图5显示了PEMFC内部不同组分所包含的热量传输。

电堆内部的传热主要取决于各组件的热阻以及不同组件之间的接触热阻，由于气体扩散层是连接主要产热组件（膜电极）和主要散热组件（双极板）的“桥梁”，其热阻以及与其它组件之间接触热阻的大小对PEMFC内部的传热性能影响很大。气体扩散层中聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）的含量对其传热性能具有很大的影响，Burheim等通过试验验证了在一定的压力下PTFE的加入会降低干燥的气体扩散层的导热系数，PTFE的含量会随着气体扩散层的老化降低，使得导热系数增大。

不同组件之间的接触热阻会对电堆内部传热产生很大的影响。Sadeghifar等研究了包括气体扩散层PTFE含量、压力和双极板表面不平度在内的不同因素对双极板和气体扩散层接触热阻的影响，PTFE含量和双极板表面不平度的增加都会增大接触热阻，而压力的增加则会降低接触热阻；Burheim等研究了气体扩散层与微孔层之间的接触电阻，发现微孔层的导热系数最低，气体扩散层次之，2者的过渡区间具有最好的导热性能。

实际PEMFC内部的各组件热阻分析是十分复杂的，因为热阻分析只有在PEMFC正常工作的前提下才有意义。而当PEMFC正常工作时，其内部伴随着非常复杂的化学和物理变化，类似于氢气、氧气、水蒸气乃至于液态水在PEMFC内部的传输都会伴随着热量的流动。对于内部热阻而言，气体传输、液态水含量、温度变化和相关物质内部结构诸多因素都会对其产生影响。

3.2 冷却液传热

燃料电池的冷却方式有空气冷却、液体冷却和相变冷却。车用PEMFC功率较大，并且其安装在空间比较狭小密闭的环境中，电堆与环境之间的对流换热和辐射传热的占比很小，因此为了获得良好的热管理效能，一般采用液体冷却的方式。

影响冷却液传热的因素包括PEMFC电堆端、冷却液本身以及散热器端。冷却液在PEMFC电堆端与双极板直接接触，因此冷却液流道结构对其换热具有很大的影响，结构简单的流道便于加工，但是内部流体换热能力差，复杂流道则相反。Yu等研究了不同的冷却流道形状（图6）对冷却效果的影响，通过仿真指出传统的蛇形流道A的冷却效果以及对温度均匀性的控制最差，但是其流体进出口压降较小，螺旋流道C的温度均匀性最好，但是由于流道的复杂性使得其进出口压降较大。

冷却液本身的性质也会影响相关的换热过程。常用的PEMFC冷却液为去离子水或乙二醇和水的混合物，后者属于防冻冷却剂，适用于低温运行环境。考虑到汽车上可用空间不足，选用热容更大的冷却液能够降低散热器的尺寸、改善PEMFC的热管理性能，所以对新型高效冷却剂的需求也日益明显。

纳米流体被人们认为是大功率PEMFC冷却剂的良好选择，悬浮的纳米颗粒可以提高流体的比热容从而提高了流体的传热能力。纳米流体虽然是PEMFC冷却剂的良好选择，但是纳米粒子的引入同样会增加流体的导电性和黏度等物理特性。

4 热管理控制

热管理子系统的首要目标是保证PEMFC的工作温度处于适宜的区间，满足其正常的工作需求。因此热管理子系统正常功能的发挥需要控制器的作用，车用PEMFC多变的工况和较大的功率需求对控制器提出了更高的需求。控制器的设计需要满足以下要求：良好的控制精度，保证维持PEMFC的温度水平。较短的响应时间，能够满足汽车多变复杂的工况。一定的抗干扰能力，保证整个系统运行的稳定性。

控制精度、响应时间和抗干扰能力控制指标需要控制算法来保障，经典PID控制因其算法简单和计算量低的特点得以广泛应用。Riascos等基于PEMFC内部温度与湿度耦合原理，研究了在控制过程中温度的最优控制问题并且给出了相关标准，基于PI控制成功将PEMFC的温度维持在最优温度，保证了PEMFC的工作性能。

传统的控制算法都是基于线性的系统模型或者需要精确的系统模型，而PEMFC系统内部机理复杂且使用工况多变，会产生模型不匹配和系统干扰问题。Li等建立了16阶精确的PEMFC非线性模型，模型能够精确反映PEMFC的特性，针对所建立的模型设计了变结构控制方法，通过设计变结构控制的趋近率以改善其抖振现象，能够在一定程度上解决系统扰动和模型不匹配问题。

在控制热管理子系统的过程中，需要降低执行器的能耗，有助于降低系统的寄生功率。Zhou等在对PEMFC热管理系统设计控制算法时，基于稳态控制与反馈控制结合的控制算法，通过调节控制参数来优化系统功率消耗，在保证较好控制效果的同时降低了系统的功耗。

近年来，人工智能技术在PEMFC控制中也得到了相关的应用，赵洪波等针对PEMFC 热管理子系统设计了基于神经网络的自抗扰控制器，用神经网络模型代替非线性误差反馈控制律，通过仿真验证控制器的效能，神经网络自抗扰控制器在不同程度噪声的干扰下都具有较好的控制品质。Rezaei 等在开发模型预测控制器的过程中利用神经网络能够非线性逼近不同函数的特点，将预测模型用神经网络模型代替，在有噪声干扰的情况下进行了仿真验证，指出所设计的神经网络预测模型能够较好的预测系统的动态，并且控制器在噪声干扰下具有较好的控制效果。

5 发展方向

针对车用PEMFC系统的热管理问题，未来主要可能的研究方向如下：

（1）系统集成化

面向高功率应用场景的多堆PEMFC系统的市场需求会逐渐增大，针对其高功率和多热源的特性配备集成化的热管理系统是必要的，在系统设计时需要考虑其在车辆上布置时的空间限制问题，因此在系统集成和相关零部件匹配等方面需要做出相关研究。

（2）余热利用

多热源、高功率的系统意味着产热量的增加，因此在系统集成时将余热利用作为优化条件之一有助于为系统集成提供相关的评价标准，对应的评价指标为系统整体的能量效率。

（3）高性能冷却液

更大的散热需求会导致热管理系统相关部件的尺寸增大从而提高了其安装难度，开发类似于纳米冷却液的高性能冷却液能够增强冷却液与电堆之间的换热性能，有助于减小系统部件的尺寸。

（4）多热源协同控制

热源数目的增多使得系统结构更加复杂，产生了更多的系统约束。面向于多热源复杂系统的控制仍是研究的难点之一，有必要考虑复杂系统的不同运行状态，制定相应的控制策略，达到多热源之间的协同温度控制。