冷卻液對PEM燃料電(diàn)池的重要性及其選擇
發布時間：
2023-06-08
在PEM燃料電(diàn)池中(zhōng)，高效而受控的熱管理(lǐ)對于保持最佳工(gōng)作(zuò)溫度至關重要。過高的溫度可(kě)能(néng)導緻燃料電(diàn)池組件的加速老化、效率降低和潛在的安(ān)全隐患。廢熱能(néng)中(zhōng)約有(yǒu) 5% 是被空氣尾氣帶出電(diàn)堆，約有(yǒu) 95% 依賴于冷卻液帶走，應此冷卻液的性能(néng)好壞，以及冷卻液控制策略的效率高低，直接關乎PEM燃料電(diàn)池性能(néng)、壽命和安(ān)全性。
一、PEM燃料電(diàn)池熱量産(chǎn)生機制
在質(zhì)子交換膜（PEM）氫燃料電(diàn)池的運行過程中(zhōng)，發生了兩個主要的電(diàn)化學(xué)反應：氫氧化反應在陽極進行，氧還原反應在陰極進行。這些反應導緻燃料電(diàn)池内部産(chǎn)生熱量。
氫氧化反應：
當氫氣（H2）供應到燃料電(diàn)池的陽極時，它經曆了一個稱為(wèi)氫氧化反應或氫氧化反應（HOR）的催化過程。這個反應可(kě)以表示為(wèi)：
2H2 → 4H+ + 4e-
氫氧化反應期間釋放的能(néng)量的一部分(fēn)會轉化為(wèi)熱量。
氧還原反應：
在陰極上，來自環境空氣的氧氣（O2）與質(zhì)子和電(diàn)子結合形成水分(fēn)子。這個 電(diàn)化學(xué)過程被稱為(wèi)氧還原反應或氧還原反應（ORR）。這個反應可(kě)以表示為(wèi)：
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
類似于氫氧化反應，氧還原反應也會生成熱量作(zuò)為(wèi)副産(chǎn)品。熱量中(zhōng)的 80%~90% 産(chǎn)生于陰極側催化劑層。
在PEM燃料電(diàn)池中(zhōng)，高效而受控的熱管理(lǐ)對于保持最佳工(gōng)作(zuò)溫度至關重要。過高的溫度可(kě)能(néng)導緻燃料電(diàn)池組件的加速老化、效率降低和潛在的安(ān)全隐患。廢熱能(néng)中(zhōng)約有(yǒu) 5% 是被空氣尾氣帶出電(diàn)堆，約有(yǒu) 95% 依賴于冷卻液帶走，應此冷卻液的性能(néng)好壞，以及冷卻液控制策略的效率高低，直接關乎PEM燃料電(diàn)池性能(néng)、壽命和安(ān)全性。
二、冷卻液對PEM燃料電(diàn)池的影響與意義
冷卻液在質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電(diàn)池系統中(zhōng)扮演着至關重要的角色，其作(zuò)用(yòng)主要體(tǐ)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(diàn)池堆的過熱。它可(kě)以将熱量從燃料電(diàn)池堆中(zhōng)帶走，并通過散熱器釋放到環境中(zhōng)，确保燃料電(diàn)池堆的溫度保持在可(kě)接受的範圍内，同時避免燃料電(diàn)池的局部過熱或過冷。維持合适的溫度對于燃料電(diàn)池的效率和壽命至關重要。
2.防腐蝕保護
水的電(diàn)離和乙二醇氧化産(chǎn)生的酸性物(wù)質(zhì)對系統金屬會有(yǒu)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(diàn)池系統組件（如不鏽鋼、鋁、銅、黃銅部件）防腐蝕保護，同時兼容系統中(zhōng)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标
在質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電(diàn)池中(zhōng)，冷卻劑的關鍵參數和指标包括：
1. 熱導率：該參數指冷卻劑傳導熱量的能(néng)力。高熱導率确保燃料電(diàn)池堆向冷卻劑的高效熱傳遞，有(yǒu)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(diàn)池系統内的平穩循環，減小(xiǎo)壓力降和能(néng)量損失。
3.電(diàn)導率：研究表明，車(chē)載燃料電(diàn)池冷卻系統中(zhōng)，冷卻液電(diàn)導率過高(＞5 "S/cm)會導緻整車(chē)在啓動時無法通過自身的高壓絕緣檢測，導緻整車(chē)無法接通高壓系統并啓動。行業标準要求小(xiǎo)于2µs/cm。
4. pH值：冷卻劑的pH值是其酸堿性的重要指标。其值應在特定範圍内，以防止燃料電(diàn)池組件（特别是電(diàn)極和催化層）的腐蝕。行業标準是5-8。
5. 冰點：由于PEM燃料電(diàn)池在相對較低的溫度下運行，尤其是在啓動和關閉過程，冷卻劑的冰點應較低，以防止結冰晶體(tǐ)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。一般指标在107-108攝氏度。
7. 電(diàn)化學(xué)兼容性：冷卻劑應與燃料電(diàn)池的組件（如膜、催化層、雙極闆、管路、密封件等）具(jù)有(yǒu)電(diàn)化學(xué)兼容性。它不應與這些組件發生化學(xué)反應或降解，導緻性能(néng)下降或故障。
8. 清潔度：燃料電(diàn)池冷卻系統需嚴格控制冷卻液中(zhōng)顆粒尺寸。燃料電(diàn)池工(gōng)作(zuò)時産(chǎn)生大量熱，冷卻液流經雙極闆冷卻流道進行散熱，石墨雙極闆冷卻流道尺寸在 0.4~1 mm [12]，金屬雙極闆冷卻流道更狹小(xiǎo)。冷卻液中(zhōng)顆粒尺寸控制不當将導緻流道阻塞，導緻質(zhì)子交換膜脫水“燒堆”。
9. 穩定性和壽命：冷卻劑應在燃料電(diàn)池的工(gōng)作(zuò)條件下具(jù)有(yǒu)穩定性，減少降解或分(fēn)解的程度。它應具(jù)有(yǒu)長(cháng)壽命，以減少維護需求，并确保可(kě)靠的性能(néng)。
這些參數和指标對于選擇适用(yòng)于PEM燃料電(diàn)池的合适冷卻劑至關重要，考慮到熱管理(lǐ)、效率、耐用(yòng)性和環境影響等因素。根據燃料電(diàn)池系統的具(jù)體(tǐ)要求和工(gōng)作(zuò)條件，可(kě)以使用(yòng)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(fēn)-微分(fēn)（PID）控制器作(zuò)為(wèi)一種線(xiàn)性控制器，算法簡單、魯棒性好、可(kě)靠性高，目前廣泛應用(yòng)于PEM燃料電(diàn)池溫度控制，但是存在響應速度慢、調節時間長(cháng)的問題。
2. 預測控制
預測控制對數學(xué)模型的要求不高，振蕩次數少、穩定時間較短，具(jù)有(yǒu)良好的跟蹤性能(néng)和較強的抗幹擾能(néng)力，但是需要較長(cháng)的在線(xiàn)計算時間。
3.自适應控制
基于自适應逆控制的實時最優溫度控制方法，可(kě)以對發電(diàn)系統溫度控制對象中(zhōng)的非線(xiàn)性以及時變特性進行自适應，調整控制器參數。試驗結果表明，自适應控制方法有(yǒu)利于減小(xiǎo)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、抗幹擾能(néng)力強、魯棒性強，具(jù)有(yǒu)更好的溫度調節能(néng)力，但易産(chǎn)生靜态誤差，并入積分(fēn)環節可(kě)消除靜态誤差。
5.其他(tā)控制策略
流量跟随電(diàn)流的溫度控制策略，根據電(diàn)池堆電(diàn)流變化調節冷卻水流量來控制電(diàn)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(diàn)池堆入口溫度。
流量同時跟随電(diàn)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：流量同時跟随電(diàn)流及功率控制策略能(néng)夠有(yǒu)效地削弱水泵和散熱器風扇的耦合作(zuò)用(yòng)，明顯減少電(diàn)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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