冷卻液對PEM燃料電池的重要性及其選擇

發布時間：

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重要。過高的溫度可能導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，直接關乎PEM燃料電池性能、壽命和安全性。

一、PEM燃料電池熱量產生機制

      在質子交換膜（PEM）氫燃料電池的運行過程中，發生了兩個主要的電化學反應：氫氧化反應在陽極進行，氧還原反應在陰極進行。這些反應導致燃料電池內部產生熱量。

氫氧化反應：

當氫氣（H2）供應到燃料電池的陽極時，它經歷了一個稱為氫氧化反應或氫氧化反應（HOR）的催化過程。這個反應可以表示為：

     2H2 → 4H+ + 4e-

    氫氧化反應期間釋放的能量的一部分會轉化為熱量。

      氧還原反應： 

    在陰極上，來自環境空氣的氧氣（O2）與質子和電子結合形成水分子。這個    電化學過程被稱為氧還原反應或氧還原反應（ORR）。這個反應可以表示為：

       O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

   類似于氫氧化反應，氧還原反應也會生成熱量作為副產品。熱量中的 80%~90% 產生于陰極側催化劑層。

     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重要。過高的溫度可能導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

     冷卻液在質子交換膜（PEM）燃料電池系統中扮演著至關重要的角色，其作用主要體現在以下兩個方面。

1.傳熱

     冷卻液通過吸收和散發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境中，確保燃料電池堆的溫度保持在可接受的范圍內，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重要。

2.防腐蝕保護

      水的電離和乙二醇氧化產生的酸性物質對系統金屬會有較大腐蝕，所以冷卻液需要加入緩蝕劑抑制腐蝕，從而達到對燃料電池系統組件（如不銹鋼、鋁、銅、黃銅部件）防腐蝕保護，同時兼容系統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、冷卻液的關鍵參數與指標

  在質子交換膜（PEM）燃料電池中，冷卻劑的關鍵參數和指標包括：

1. 熱導率：該參數指冷卻劑傳導熱量的能力。高熱導率確保燃料電池堆向冷卻劑的高效熱傳遞，有助于溫度調節。

2.粘度：粘度是冷卻劑對流動的阻力的度量。冷卻劑的粘度應足夠低，以實現燃料電池系統內的平穩循環，減小壓力降和能量損失。

3.電導率：研究表明，車載燃料電池冷卻系統中，冷卻液電導率過高(＞5 "S/cm)會導致整車在啟動時無法通過自身的高壓絕緣檢測，導致整車無法接通高壓系統并啟動。行業標準要求小于2µs/cm。

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

5. 冰點：由于PEM燃料電池在相對較低的溫度下運行，尤其是在啟動和關閉過程，冷卻劑的冰點應較低，以防止結冰晶體的形成，從而損壞系統。一般是-35和-45攝氏度。

6. 沸點：同樣，冷卻劑的沸點應足夠高，以避免在正常運行條件下發生蒸發和冷卻劑的損失。一般指標在107-108攝氏度。

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

8. 清潔度：燃料電池冷卻系統需嚴格控制冷卻液中顆粒尺寸。燃料電池工作時產生大量熱，冷卻液流經雙極板冷卻流道進行散熱，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將導致流道阻塞，導致質子交換膜脫水“燒堆”。

9. 穩定性和壽命：冷卻劑應在燃料電池的工作條件下具有穩定性，減少降解或分解的程度。它應具有長壽命，以減少維護需求，并確保可靠的性能。

     這些參數和指標對于選擇適用于PEM燃料電池的合適冷卻劑至關重要，考慮到熱管理、效率、耐用性和環境影響等因素。根據燃料電池系統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，目前廣泛應用于PEM燃料電池溫度控制，但是存在響應速度慢、調節時間長的問題。

2. 預測控制

     預測控制對數學模型的要求不高，振蕩次數少、穩定時間較短，具有良好的跟蹤性能和較強的抗干擾能力，但是需要較長的在線計算時間。

3.自適應控制

     基于自適應逆控制的實時最優溫度控制方法，可以對發電系統溫度控制對象中的非線性以及時變特性進行自適應，調整控制器參數。試驗結果表明，自適應控制方法有利于減小系統的超調量和實現最優溫度的快速跟蹤。

4.模糊控制

     與PID控制相比，模糊控制響應速度快、抗干擾能力強、魯棒性強，具有更好的溫度調節能力，但易產生靜態誤差，并入積分環節可消除靜態誤差。

5.其他控制策略

     流量跟隨電流的溫度控制策略，根據電池堆電流變化調節冷卻水流量來控制電池堆冷卻水進、出口溫差，通過PID控制器調節散熱風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網絡自抗擾方法2種冷卻系統控制策略。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扇的耦合作用，明顯減少電池堆進、出口冷卻水溫度及其溫差的超調量和調節時間。

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