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冷卻液對(duì)PEM燃料電池的重要性及其選擇

發(fā)布時(shí)間：

2023-06-08

在PEM燃料電池中，高效而受控的熱管理對(duì)于保持最佳工作溫度至關(guān)重要。過高的溫度可能導(dǎo)致燃料電池組件的加速老化、效率降低和潛在的安全隱患。廢熱能中約有 5% 是被空氣尾氣帶出電堆，約有 95% 依賴于冷卻液帶走，應(yīng)此冷卻液的性能好壞，以及冷卻液控制策略的效率高低，直接關(guān)乎PEM燃料電池性能、壽命和安全性。

一、PEM燃料電池?zé)崃慨a(chǎn)生機(jī)制

在質(zhì)子交換膜（PEM）氫燃料電池的運(yùn)行過程中，發(fā)生了兩個(gè)主要的電化學(xué)反應(yīng)：氫氧化反應(yīng)在陽(yáng)極進(jìn)行，氧還原反應(yīng)在陰極進(jìn)行。這些反應(yīng)導(dǎo)致燃料電池內(nèi)部產(chǎn)生熱量。

氫氧化反應(yīng)：

當(dāng)氫氣（H2）供應(yīng)到燃料電池的陽(yáng)極時(shí)，它經(jīng)歷了一個(gè)稱為氫氧化反應(yīng)或氫氧化反應(yīng)（HOR）的催化過程。這個(gè)反應(yīng)可以表示為：

2H2 → 4H+ + 4e-

氫氧化反應(yīng)期間釋放的能量的一部分會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量。

氧還原反應(yīng)：

在陰極上，來自環(huán)境空氣的氧氣（O2）與質(zhì)子和電子結(jié)合形成水分子。這個(gè) 電化學(xué)過程被稱為氧還原反應(yīng)或氧還原反應(yīng)（ORR）。這個(gè)反應(yīng)可以表示為：

O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

類似于氫氧化反應(yīng)，氧還原反應(yīng)也會(huì)生成熱量作為副產(chǎn)品。熱量中的 80%~90% 產(chǎn)生于陰極側(cè)催化劑層。

二、冷卻液對(duì)PEM燃料電池的影響與意義

冷卻液在質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，其作用主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

1.傳熱

冷卻液通過吸收和散發(fā)熱量來防止燃料電池堆的過熱。它可以將熱量從燃料電池堆中帶走，并通過散熱器釋放到環(huán)境中，確保燃料電池堆的溫度保持在可接受的范圍內(nèi)，同時(shí)避免燃料電池的局部過熱或過冷。維持合適的溫度對(duì)于燃料電池的效率和壽命至關(guān)重要。

2.防腐蝕保護(hù)

水的電離和乙二醇氧化產(chǎn)生的酸性物質(zhì)對(duì)系統(tǒng)金屬會(huì)有較大腐蝕，所以冷卻液需要加入緩蝕劑抑制腐蝕，從而達(dá)到對(duì)燃料電池系統(tǒng)組件（如不銹鋼、鋁、銅、黃銅部件）防腐蝕保護(hù)，同時(shí)兼容系統(tǒng)中的常見彈性材料和熱塑性塑料。

圖：冷卻液玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)

三、冷卻液的關(guān)鍵參數(shù)與指標(biāo)

在質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池中，冷卻劑的關(guān)鍵參數(shù)和指標(biāo)包括：

1. 熱導(dǎo)率：該參數(shù)指冷卻劑傳導(dǎo)熱量的能力。高熱導(dǎo)率確保燃料電池堆向冷卻劑的高效熱傳遞，有助于溫度調(diào)節(jié)。

2.粘度：粘度是冷卻劑對(duì)流動(dòng)的阻力的度量。冷卻劑的粘度應(yīng)足夠低，以實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的平穩(wěn)循環(huán)，減小壓力降和能量損失。

3.電導(dǎo)率：研究表明，車載燃料電池冷卻系統(tǒng)中，冷卻液電導(dǎo)率過高(＞5 "S/cm)會(huì)導(dǎo)致整車在啟動(dòng)時(shí)無法通過自身的高壓絕緣檢測(cè)，導(dǎo)致整車無法接通高壓系統(tǒng)并啟動(dòng)。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求小于2µs/cm。

4. pH值：冷卻劑的pH值是其酸堿性的重要指標(biāo)。其值應(yīng)在特定范圍內(nèi)，以防止燃料電池組件（特別是電極和催化層）的腐蝕。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是5-8。

5. 冰點(diǎn)：由于PEM燃料電池在相對(duì)較低的溫度下運(yùn)行，尤其是在啟動(dòng)和關(guān)閉過程，冷卻劑的冰點(diǎn)應(yīng)較低，以防止結(jié)冰晶體的形成，從而損壞系統(tǒng)。一般是-35和-45攝氏度。

6. 沸點(diǎn)：同樣，冷卻劑的沸點(diǎn)應(yīng)足夠高，以避免在正常運(yùn)行條件下發(fā)生蒸發(fā)和冷卻劑的損失。一般指標(biāo)在107-108攝氏度。

7. 電化學(xué)兼容性：冷卻劑應(yīng)與燃料電池的組件（如膜、催化層、雙極板、管路、密封件等）具有電化學(xué)兼容性。它不應(yīng)與這些組件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或降解，導(dǎo)致性能下降或故障。

8. 清潔度：燃料電池冷卻系統(tǒng)需嚴(yán)格控制冷卻液中顆粒尺寸。燃料電池工作時(shí)產(chǎn)生大量熱，冷卻液流經(jīng)雙極板冷卻流道進(jìn)行散熱，石墨雙極板冷卻流道尺寸在 0.4~1 mm [12]，金屬雙極板冷卻流道更狹小。冷卻液中顆粒尺寸控制不當(dāng)將導(dǎo)致流道阻塞，導(dǎo)致質(zhì)子交換膜脫水“燒堆”。

9. 穩(wěn)定性和壽命：冷卻劑應(yīng)在燃料電池的工作條件下具有穩(wěn)定性，減少降解或分解的程度。它應(yīng)具有長(zhǎng)壽命，以減少維護(hù)需求，并確保可靠的性能。

這些參數(shù)和指標(biāo)對(duì)于選擇適用于PEM燃料電池的合適冷卻劑至關(guān)重要，考慮到熱管理、效率、耐用性和環(huán)境影響等因素。根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的具體要求和工作條件，可以使用不同類型的冷卻劑。

四、常見冷卻系統(tǒng)控制策略

1.PID控制

比例-積分-微分（PID）控制器作為一種線性控制器，算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高，目前廣泛應(yīng)用于PEM燃料電池溫度控制，但是存在響應(yīng)速度慢、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)的問題。

2. 預(yù)測(cè)控制

預(yù)測(cè)控制對(duì)數(shù)學(xué)模型的要求不高，振蕩次數(shù)少、穩(wěn)定時(shí)間較短，具有良好的跟蹤性能和較強(qiáng)的抗干擾能力，但是需要較長(zhǎng)的在線計(jì)算時(shí)間。

3.自適應(yīng)控制

基于自適應(yīng)逆控制的實(shí)時(shí)最優(yōu)溫度控制方法，可以對(duì)發(fā)電系統(tǒng)溫度控制對(duì)象中的非線性以及時(shí)變特性進(jìn)行自適應(yīng)，調(diào)整控制器參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，自適應(yīng)控制方法有利于減小系統(tǒng)的超調(diào)量和實(shí)現(xiàn)最優(yōu)溫度的快速跟蹤。

4.模糊控制

與PID控制相比，模糊控制響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性強(qiáng)，具有更好的溫度調(diào)節(jié)能力，但易產(chǎn)生靜態(tài)誤差，并入積分環(huán)節(jié)可消除靜態(tài)誤差。

5.其他控制策略

流量跟隨電流的溫度控制策略，根據(jù)電池堆電流變化調(diào)節(jié)冷卻水流量來控制電池堆冷卻水進(jìn)、出口溫差，通過PID控制器調(diào)節(jié)散熱風(fēng)扇以控制電池堆入口溫度。

流量同時(shí)跟隨電流及功率方式和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自抗擾方法2種冷卻系統(tǒng)控制策略。研究表明：流量同時(shí)跟隨電流及功率控制策略能夠有效地削弱水泵和散熱器風(fēng)扇的耦合作用，明顯減少電池堆進(jìn)、出口冷卻水溫度及其溫差的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間。