质子交换膜燃料电池动力系统热管理综述_周苏.pdf
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1、汽 车 文 摘周苏陈春光樊磊(同济大学汽车学院,上海 201804)【摘要】质子交换膜燃料电池(PEMFC)热管理子系统需要维持电堆及其它部件在适宜的温度范围内运行,对燃料电池系统的正常工作有着至关重要的作用。为跟踪其研究进展,对近年来相关研究进行了综述。首先,总结并对比了面向不同结构动力系统的热管理子系统结构。其次,总结了系统中的产热与传热问题,重点在于燃料电池电堆内部的产热与传热特性。然后,总结了应用于系统的控制策略,包括不同的控制算法和优化目标。最后,总结了相关研究方法。通过对相关研究工作对比分析,提炼了工作重点,指出并展望了未来的研究方向。主题词:质子交换膜燃料电池热管理多热源系统中图
2、分类号:TM911.4文献标识码:ADOI:10.19822/ki.1671-6329.20220171Review on Thermal Management of Automotive Proton ExchangeMembrane Fuel Cell Power SystemZhou Su,Chen Chunguang,Fan Lei(School of Automotive Studies,Tongji University,Shanghai 201804)【Abstract】The thermal management system of Proton Exchange Membra
3、ne Fuel Cell(PEMFC)needs to keep thestack running at normal operating temperature.It plays an important role in the normal operation of fuel cell system.Thispaper reviews the related researches in recent years.Firstly,the structure of thermal management system for different powersystems is summarize
4、d.Secondly,the heat generation and heat transfer in the system are summarized,especially the heatgeneration and heat transfer characteristics in the fuel cell stack.Thirdly,different control strategies applied to the systemare summarized,and the characteristics of different control strategies are co
5、mpared.Finally,the relevant research methodsare summarized.Through the summary of relevant research work,the emphases of work are analyzed and the futureresearch direction is pointed out.Key words:Proton Exchange Membrane Fuel Cell(PEMFC),Thermal management,Multi-heat source system质子交换膜燃料电池动力系统热管理综述
6、【欢迎引用】周苏,陈春光,樊磊.质子交换膜燃料电池动力系统热管理综述J.汽车文摘,2023(2):1-14.【Cite this paper】ZHOU S,CHEN C G,FAN L.Review on Thermal Management of Automotive Proton Exchange Membrane Fuel CellPower SystemJ.Automotive Digest(Chinese),2023(2):1-14.1前言随着能源与环境问题的日益严重,清洁能源技术受到了世界各国的关注与重视。为了实现节能减排的目标,汽车行业正在逐步转型,传统内燃机汽车向电动汽车发展已
7、经成为主流趋势。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)具有能源转换效率高、排放无污染、燃料来源广、操作温度低、启停迅速的优点,因而被公认为理想的车用能源转换装置。但是,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1-2。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3。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
8、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4-6。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Automotive Digest12023年 第2期不可少。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
9、一PEMFC系统的不足。本文综述了近年来关于车用PEMFC动力系统热管理子系统的结构、产热与散热、控制策略和研究方法的相关创新成果,并且针对不同的研究工作指出了创新研究重点以及未来可能的创新研究方向。2热管理子系统设计车用PEMFC动力系统的产热源数量较多,主要包括电堆、动力电池、中冷器和电子产热元件。在热管理子系统结构设计中应该兼顾不同产热源的散热需求,保证系统的合理性与有效性。2.1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7。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
10、于电堆的冷却液回路8。Cheng等9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)。赵洪波等10则是在类似于图1结构的基础上在散热器旁增设了节温器,考虑了热管理系统中的大小循环。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11,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12。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5,但是这样做会增加系统的复杂性。周苏等11选择将电堆冷却液回路和中冷器冷却液回路集成到一起,在热管理系统中引入旁通
11、阀来分配流入电堆和中冷器的冷却液流量,具体结构如图2所示,针对此结构也开展了部分研究工作11,13。俞林炯等14针对45 kW的PEMFC系统设计了热管理子系统的结构并且建立了相关模型,通过仿真分析了不同操作条件对电堆温度、冷却液温度和中冷器出口温度的影响;周苏等15将电堆冷却液旁通阀开度作为控制器的执行器之一开发了系统的控制算法,在电堆的温度控制问题上获得了较好的控制效果。Zhou等16针对温度控制过程中系统寄生功率的问题进行了研究,在考虑系统功耗的前提下提出了1种基于最优功耗的温度控制算法,能够降低系统的寄生功率。Xing等4在燃料电池混合电动汽车相关系统的建模与仿真工作中,建立PEMFC
12、热管理系统模型时也采用了相同的结构。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。2.2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P
13、EMFC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17。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图1PEMFC热管理系统结构9图2PEMFC热管理系统结构14汽车文摘2汽 车 文 摘工况过程中起到“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。戴海峰等18对燃料电池插电式混合动力微型车所搭载的动力电池设计了热管理系统,通过对动力电池的散热需求计算指出微型车动力电池的产热量较低,因此采用“风冷
14、”方式对动力电池进行散热;李忠等19对燃料电池混合轨道交通车辆所搭载的大功率动力电池进行了热管理系统设计,采用液体冷却回路对动力电池进行散热,以“水+乙二醇”作为系统冷却液,根据动力电池和PEMFC系统的复合运行工况验证了系统设计的有效性。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20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3所示,对不同的散热回路进行了建模与仿真分析,验证了各
15、个冷却回路的散热能力。Rehlaender等21提出了1个集成的燃电混合动力系统的热管理系统,将电驱动系统、PEMFC电堆、座舱和动力电池的冷却回路按照不同的温度需求集成为一体,较高温度的驱动系统冷却回路和较低温度的动力电池冷却回路分别通过热交换器与PEMFC电堆冷却回路和座舱冷却回路耦合,系统结构如图4所示,通过建模仿真的方法验证了所设计的热管理子系统能够满足散热需求。针对提出的热管理系统结构,Rehlaender等22设计了对应的控制策略,能够对系统中不同热源的温度进行合理控制,合理利用不同回路之间的耦合关系。Zhao等23也提出了燃电混合动力系统的热管理系统结构,单独设计了动力电池冷却回
16、路、PEMFC电堆冷却回路和电驱动系统冷却回路,但是将3个冷却回路分别与空调系统耦合,在一定的热管理策略下能够做到余热利用。2.3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24。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25提出了多堆PEMFC系统的串联
17、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5所示,2种热管理系统的结构都包含了大小循环。Wu等26提出了1个65 kW的双电堆系统,其热管理子系统应用了并联式结构,利用水泵为2条支路提供冷却液冷却2个电堆,但是系统中只有1个回路,没有考虑冷却液的小循环。Zhou等27在对多堆PEMFC系统结构的综述中提出了面向多堆PEMFC系统的并联热
18、管理系统结构,并且引入旁通阀将中冷器冷却回路集成到系统中,同时考虑了电图3动力系统热管理结构20图4集成热管理系统结构21Automotive Digest32023年 第2期堆的大小循环,以满足不同电堆和中冷器的散热需求,结构如图6所示。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
19、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PEMFC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。3PEMFC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28研究了车用PEMFC系统的散热
20、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7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:H2+12O2H2O+能量(Energy)+热(Heat)(1)PEMFC电堆内部的热量来源主
21、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%29-31。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32。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31。不可逆热是PEMFC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33,PEMFC的电阻由PEM的电阻所主导。随着PEM制造工艺的提升,
22、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34。图8表示了PEMFC内部不同组分的面比电阻,图8(a)展示了通过试验测得的电堆内部不同部位的面电阻,包括石墨碳端板(Gr)、气体扩散层(GDL)、双极板(BPP)、微孔层(MPL)、质子交换膜(CCM)以及各部分之间的面比电阻;图8(b)将图8(a)中的面比电阻值按照不同类型进行了占比划分;图8(c)按照图8(a)中各部分的电阻值外推出了一个单电池的面比电阻值;图8(d)将图8(c)中的面比电阻值按照不同类型进行了占比划分。PEMFC各部分的电阻大小与很多因素相关,表1总结了PEMFC内部电阻的图5多堆燃料电池热管理系统结
23、构25(a)串联热管理系统(b)并联热管理系统图6多堆PEMFC系统结构27图7PEMFC组成结构负载O2H2汽车文摘4汽 车 文 摘研究进展。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。4PEMFC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。4.1电堆传热热量在PEMFC内部产生后,会在PEMFC内部
24、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7,43。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9显示了PEMFC内部不同组分所包含的热量传输。(a)电堆内不同部位面比电阻测量值(b)电堆内不同类型面比电阻占比(c)电池单体内不同部位面比电阻理论外推值(d)电
25、池单体内不同类型面比电阻占比图8PEMFC内部各组分面电阻38表1PEMFC内部电阻研究影响因素材料特性制造工艺操作条件时间/年20192021202120132018201020162018作者Agarwal等35Thangarasu等36Zhang等37Netwall等38Liang等39尹燕等40Chien等41Qiu等42研究对象接触电阻双极板电阻气体扩散层电阻接触电阻接触电阻接触电阻气体扩散层电阻气体扩散层电阻研究内容金属双极板表面涂层材料对其接触电阻的影响新型碳-铅复合材料作为PEMFC双极板的性能研究气体扩散层碳纤维结构对气体扩散层电导率的影响金属双极板的表面粗糙度在一定的操作条
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