水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统外文翻译资料

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水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统

摘要：在水冷质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统中，热管理系统，常用来协调热管理组件比如冷却液循环泵和散热器风扇，在保持PEMFC安全和稳定的外在性能中发挥着重要作用。为防止冷却液温度波动，防止热失控，基于电化学反应以及热管理控制中的热动力学理论，一个控制导向的水冷系统模型建立起来，并开发实验系统模型验证。在三种不同的操作条件下：增加进出口的冷却液温差，减少内部冷却液温度，增加输出流，模型结果与实验数据的对比证明：所提出的模型能够有效地模拟动态，高精度地改变输出电压，冷却液温度，冷却液流动率，散热器的控制电压。因此，所提出的模型将用作水冷PEMFC系统的设计和优化的指导控制系统。

关键词：质子交换膜燃料电池；水冷系统；热管理；动力性能

1.引文

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种基于电化学原理的发电机，具有高功率，低密度，工作温度低，响应速度快，无污染等特点。它被广泛认为是未来的交通运输的一种理想的能量来源。当电力由PEMFC产生，产生的等效热量必须从PEMFC系统中释放出来，否则，燃料电池系统的性能将丧失。对于水冷型PEMFC系统，冷却液温度是其中最重要的控制参数之一，这将会影响气体转移，水平衡，电化学一系列反应活动并且影响燃料电池输出性能。一个较高的工作温度将有利于电催化活动并产生更好的输出性能，但它更难以保持PEMFC中的水平衡。因此，有效的热管理在确保PEMFC系统更好的性能和更长的工作寿命中是非常重要的。
PEMFC系统包含复杂的电化学反应，热管理系统具有随时间变化，非线性，强耦合，大延迟的特性和不确定性。很多热管理模型被提出以此来分析热管理系统及其对PEMFC系统的影响。张^[7]提出了一种60 k W的PEMFC发电系统模型，用于设定电流，温度，和阴极和阳极气体流量和压力，这些对系统性能产生主要影响的因素。但是，有些模型更复杂，Dumercy ^[8,9] 为两个150W和500 W 的PEMFC提出了一个3D热模型的节点网络模型，用来描述在电堆中的温度和热分布。Tiss ^[10]，基于理论的热和质量传递，提出了一个PEMFC热力系统的动态模型，其表明燃料电池温度对改变燃料电池输出电压和气体流量的一个重要因素。Hosseinzadeh ^[11]提出一个的零维PEMFC模型，分析入口温度，出口温度和温度梯度在系统性能中的影响。这些提出的模型是为了分析热管理对PEMFC系统性能的影响，但他们不适于对燃料电池系统的热控制。

一些热管理模型也用于系统热控制。一些基于实验的黑箱模型也建立起来。Li ^[12]描述了一种使用人工神经网络（ANN）的方法去控制PEMFC的温度。该模型不包含热管理系统的内部机制，这对了解热增益和散失非常有帮助。所以它是适用于特定系统，要用于其他系统需要再次进行改进。一些作者提出了基于热管理系统的机制的模型。根据质量和能量的守恒方程，Li ^[13,14]提出了控制导向的PEMFC电堆的热模型，其可用于反映实际PEMFC电堆的实际温度响应。然而，然而，这个模型的表达太复杂以至于难以用于控制设计中。Yu ^[15]提出了Ballard PEMFC电堆的水和热管理模型来预测相关于的电堆温度，电池电压和功率的动态信息作为函数时间。Zhang ^[16]提出了由一个集中热质量模型的燃料电池堆，它对运行参数和影响系统热性能中相互作用的参数的效果进行评价。胡^[17]提出了冷却剂循环的建模方法和温度模糊控制策略使PEMFC保持在理想的操作温度范围内。Ahn ^[18] 基于热电路的提出了一种新的温度控制策略，在热回路设计中使用经典比例和积分（PI）控制器以及状态反馈控制。

图1-实验平台的系统结构

图1-PEMFC系统

大多数提出的模型建立起来以验证理论上热管理的控制方法，但用实验数据证实模型的准确性和有效性的研究是非常有限的。本文设计的模型可以用作设计和优化水冷PEMFC系统的的控制系统。为了开发一种控制导向的水冷型PEMFC系统的热模型管理控制，本文提出了半机械半经验热管理模型，并对模拟结果与三个不同工作条件的实验数据进行了比较。结果表明中在模型和实验设置相同的控制参数，该模型具有非常好的准确性去反应变量。

2.实验部分

2.1水冷型质子交换膜系统

在本文中，基于水冷却的PEMFC测试系统由具有75个电池的PEMFC电堆建成（Ballard，FCvelocityreg;-9SSL）建成。测试系统结构如图1所示，水冷PEMFC测试平台由PEMFC电堆，供气系统，氢气供应系统，热管理系统，气体加湿系统和控制系统。燃料电池产生的电力用于电子负载（ITECH，IT8816B）的工作，通过数据收集卡（ZTYC USB7635BD）和两个无纸记录器（Hang-zhou Pangu，KT800）收集和记录数据。PEMFC的工作温度，反应物压力，流速，输出电流和电压由不同的传感器采样，转换为数据采集卡的电压信号。然后这些信号通过USB接口传输到控制系统并在控制系统屏幕上实时显示。PEMFC多功能测试平台如图2所示。

图2-水冷型PEMFC实验平台 图3-PEMFC热管理系统的示意图

2.2热管理系统

PEMFC热控制系统的示意图如图3所示。 主要通过控制调节散热器风扇和循环水泵的转速来控制PEMFC的温度。在实际系统中，风扇和泵都由直流电机驱动。

冷却液由循环水泵驱动流动通过散热器和PEMFC电堆。然后热量通过散热器释放到环境中。通过调整水泵电机的控制电压来控制PEMFC电堆的入口和出口冷却液之间的温差。而且通过调整散热器的控制电压可以达到控制入口冷却液的温度。

2.3实验方法

为了验证热管理模型的准确性，我们进行了三个实验，记录燃料电池输出电压，冷却液流速，温度并且与条件改变时的模型结果相对比：

方案1：增加进出口冷却液的温差：保持燃料电池输出电流70A，冷却液入口温度在50℃，冷却剂入口和出口之间的温差5℃，然后将冷却剂温度差从5℃增加到6℃。 记录从开始变化到稳定状态的数据。

方案2.降低冷却液入口温度：保持燃料电池输出电流在70A，冷却液温度出口和入口之间的差异为6℃，然后将冷却液入口温度从52℃降到50℃。

方案3：增加输出电流：保持冷却液入口温度为50℃，冷却剂出口和入口之间的温差为5℃，然后将燃料电池输出电流从60 A增加到70 A.

3.PEMFC热管理系统的动力模型

基于特定的热方程Q = CMT， PEMFC每单位时间的产热，散热与温度之间的关系是^[15]：

（1）

Q代表着产生或者失去的热量。

为了简化热管理模型，一些假设需要被设定：

1. PEMFC电堆的温度等于冷却液的出口温度^[16];
2. 假设反应物是理想气体;反应物充分湿润;
3. PEMFC电堆中的膜是完全浸透的;
4. PEMFC电堆中的压力差是忽略不计的。

3.1热产生

对于氢气和氧气的反应，化学能Q_tot被转化为电能P_st和热量，因此产生的热Q_gen是：

（2）

3.1.1 化学能

根据化学方程：

（3）

每单位时间的气体消耗以及产生的水：

（4）

（5）

（6）

每单位时间氢燃料的化学能：

（7）

3.1.2 PEMFC的输出功率

根据功率方程 Pst= nV_cellI_st，需要建立PEMFC的单个电池的电压模型。输出电压主要由能斯特开路电压E_nerst组成，激活极化电压V_act，浓度极化电压V_con，欧姆极化电压V_ohmic.^[20,21]

（8）

能斯特开路电压与工作温度和阴极中的氧分压有关和阳极中的氢分压有关：

（9）

氧分压和氢分压压力与工作温度和阴极和阳极处的压力有关^[22]。 为简单起见，它们如下简化。

（10）

（11）

在PEMFC测试系统中，由质量流量计控制的空气流在不同的输出电流情况下是不同的。因此，在没有背压阀情况下，阴极压力将随着不同的的空气流量而变化。这与实际的具有能提供氧化剂供应的空气压缩机的燃料电池系统是非常相似的。为了更准确地反映PEMFC的压力，实验中在不同输出下测量阴极压力。阴极压力和输出电流之间的关系通过多项式拟合，如图4所示。

拟合方程式是：

（12）

对于阳极侧，通过比例阀来控制比阴极高0.2bar的阳极入口压力。所以在这个模拟模型中阳极压力设定为比阴极压力高0.2bar.

（13）

氧气浓度是气液界面浓度的O₂.根据亨利定理^[5,23]：

(14)

根据塔福尔方程，激活极化电压为：

(15)

这里xi;_1，xi;_2，xi;_3，xi;₄是Ballard的PEMFC电堆的系统运行参数。

欧姆损耗可以表示为^[24-26]：

(16)

电池膜阻抗R可以表示为：

(17)

膜电阻率r是电流，有效面积，膜的水含量的函数。l是膜的厚度。

(18)

其中，B是系数，I_den是实际电流密度，I_max是最大电流密度。

氧还原反应的理想电极电位是1.229V. 但由于杂质，它是1.0〜1.1 V的混合势^[27]。在本文中，实验开路电压代替理想电位。所以能斯特开路电压为：

(19)

基于上述PEMFC的电压模型，由75个单电池组成的PEMFC电堆的模拟极化曲线如图5所示，很好地拟合了实验数据。

3.1.3 热散失模型

从燃料电池系统散发的热包括由反应物进行的热排出Q_gas，冷却剂Qcl和热辐射热Q_amb。

（20）

3.1.3.1反应物排出的热量

反应物排出的热量等于入口气体和出口气体的热量之差^[15]。

（21）

氢气和空气进口流量为：

（22）

（23）

根据Antoine方程，饱和蒸汽压可表示为^[17,23]：

（24）

反应物中的水蒸汽可以这么计算：

图4-阴极压力的拟合曲线 图5-燃料电池电堆模拟和实验极化的曲线

入口反应物中的热量为：

由于空气中的氧被消耗而氮不反应，出口气体组成发生变化。本文对氧和氮的热量分别考虑。

在出口气体中包含的水蒸气是：

假设水只从阴极废气中排出，并根据物质的守恒，水的流动速率是：

出口反应物中的热量为：

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