冷卻液對PEM燃料電池的重要性及其選擇
發(fā)布時間：
2023-06-08
在PEM燃料電池中，高效而受控的熱管理對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)生了兩個主要的電化學(xué)反應(yīng)：氫氧化反應(yīng)在陽極進(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)到燃料電池的陽極時，它經(jīng)歷了一個稱為氫氧化反應(yīng)或氫氧化反應(yīng)（HOR）的催化過程。這個反應(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 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。
在PEM燃料電池中，高效而受控的熱管理對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。
二、冷卻液對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)，同時避免燃料電池的局部過熱或過冷。維持合適的溫度對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)對系統(tǒng)金屬會有較大腐蝕，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
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：粘度是冷卻劑對流動的阻力的度量。冷卻劑的粘度應(yīng)足夠低，以實現(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)會導(dǎo)致整車在啟動時無法通過自身的高壓絕緣檢測，導(dǎo)致整車無法接通高壓系統(tǒng)并啟動。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：由于PEM燃料電池在相對較低的溫度下運(yùn)行，尤其是在啟動和關(guān)閉過程，冷卻劑的冰點應(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：同樣，冷卻劑的沸點應(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)時間長的問題。
2. 預(yù)測控制
預(yù)測控制對數(shù)學(xué)模型的要求不高，振蕩次數(shù)少、穩(wěn)定時間較短，具有良好的跟蹤性能和較強(qiáng)的抗干擾能力，但是需要較長的在線計算時間。
3.自適應(yīng)控制
基于自適應(yīng)逆控制的實時最優(yōu)溫度控制方法，可以對發(fā)電系統(tǒng)溫度控制對象中的非線性以及時變特性進(jìn)行自適應(yīng)，調(diào)整控制器參數(shù)。試驗結(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)時間。
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