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冷却液对PEM燃料电池的重要性及其选择

发布时间：

2023-06-08

在PEM燃料电池中，高效而受控的热管理对于保持最佳工作温度至关重要。过高的温度可能导致燃料电池组件的加速老化、效率降低和潜在的安全隐患。废热能中约有 5% 是被空气尾气带出电堆，约有 95% 依赖于冷却液带走，应此冷却液的性能好坏，以及冷却液控制策略的效率高低，直接关乎PEM燃料电池性能、寿命和安全性。

一、PEM燃料电池热量产生机制

在质子交换膜（PEM）氢燃料电池的运行过程中，发生了两个主要的电化学反应：氢氧化反应在阳极进行，氧还原反应在阴极进行。这些反应导致燃料电池内部产生热量。

氢氧化反应：

当氢气（H2）供应到燃料电池的阳极时，它经历了一个称为氢氧化反应或氢氧化反应（HOR）的催化过程。这个反应可以表示为：

2H2 → 4H+ + 4e-

氢氧化反应期间释放的能量的一部分会转化为热量。

氧还原反应：

在阴极上，来自环境空气的氧气（O2）与质子和电子结合形成水分子。这个电化学过程被称为氧还原反应或氧还原反应（ORR）。这个反应可以表示为：

O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

类似于氢氧化反应，氧还原反应也会生成热量作为副产品。热量中的 80%~90% 产生于阴极侧催化剂层。

二、冷却液对PEM燃料电池的影响与意义

冷却液在质子交换膜（PEM）燃料电池系统中扮演着至关重要的角色，其作用主要体现在以下两个方面。

1.传热

冷却液通过吸收和散发热量来防止燃料电池堆的过热。它可以将热量从燃料电池堆中带走，并通过散热器释放到环境中，确保燃料电池堆的温度保持在可接受的范围内，同时避免燃料电池的局部过热或过冷。维持合适的温度对于燃料电池的效率和寿命至关重要。

2.防腐蚀保护

水的电离和乙二醇氧化产生的酸性物质对系统金属会有较大腐蚀，所以冷却液需要加入缓蚀剂抑制腐蚀，从而达到对燃料电池系统组件（如不锈钢、铝、铜、黄铜部件）防腐蚀保护，同时兼容系统中的常见弹性材料和热塑性塑料。

图：冷却液玻璃器皿腐蚀试验

三、冷却液的关键参数与指标

在质子交换膜（PEM）燃料电池中，冷却剂的关键参数和指标包括：

1. 热导率：该参数指冷却剂传导热量的能力。高热导率确保燃料电池堆向冷却剂的高效热传递，有助于温度调节。

2.粘度：粘度是冷却剂对流动的阻力的度量。冷却剂的粘度应足够低，以实现燃料电池系统内的平稳循环，减小压力降和能量损失。

3.电导率：研究表明，车载燃料电池冷却系统中，冷却液电导率过高(＞5 "S/cm)会导致整车在启动时无法通过自身的高压绝缘检测，导致整车无法接通高压系统并启动。行业标准要求小于2µs/cm。

4. pH值：冷却剂的pH值是其酸碱性的重要指标。其值应在特定范围内，以防止燃料电池组件（特别是电极和催化层）的腐蚀。行业标准是5-8。

5. 冰点：由于PEM燃料电池在相对较低的温度下运行，尤其是在启动和关闭过程，冷却剂的冰点应较低，以防止结冰晶体的形成，从而损坏系统。一般是-35和-45摄氏度。

6. 沸点：同样，冷却剂的沸点应足够高，以避免在正常运行条件下发生蒸发和冷却剂的损失。一般指标在107-108摄氏度。

7. 电化学兼容性：冷却剂应与燃料电池的组件（如膜、催化层、双极板、管路、密封件等）具有电化学兼容性。它不应与这些组件发生化学反应或降解，导致性能下降或故障。

8. 清洁度：燃料电池冷却系统需严格控制冷却液中颗粒尺寸。燃料电池工作时产生大量热，冷却液流经双极板冷却流道进行散热，石墨双极板冷却流道尺寸在 0.4~1 mm [12]，金属双极板冷却流道更狭小。冷却液中颗粒尺寸控制不当将导致流道阻塞，导致质子交换膜脱水“烧堆”。

9. 稳定性和寿命：冷却剂应在燃料电池的工作条件下具有稳定性，减少降解或分解的程度。它应具有长寿命，以减少维护需求，并确保可靠的性能。

这些参数和指标对于选择适用于PEM燃料电池的合适冷却剂至关重要，考虑到热管理、效率、耐用性和环境影响等因素。根据燃料电池系统的具体要求和工作条件，可以使用不同类型的冷却剂。

四、常见冷却系统控制策略

1.PID控制

比例-积分-微分（PID）控制器作为一种线性控制器，算法简单、鲁棒性好、可靠性高，目前广泛应用于PEM燃料电池温度控制，但是存在响应速度慢、调节时间长的问题。

2. 预测控制

预测控制对数学模型的要求不高，振荡次数少、稳定时间较短，具有良好的跟踪性能和较强的抗干扰能力，但是需要较长的在线计算时间。

3.自适应控制

基于自适应逆控制的实时最优温度控制方法，可以对发电系统温度控制对象中的非线性以及时变特性进行自适应，调整控制器参数。试验结果表明，自适应控制方法有利于减小系统的超调量和实现最优温度的快速跟踪。

4.模糊控制

与PID控制相比，模糊控制响应速度快、抗干扰能力强、鲁棒性强，具有更好的温度调节能力，但易产生静态误差，并入积分环节可消除静态误差。

5.其他控制策略

流量跟随电流的温度控制策略，根据电池堆电流变化调节冷却水流量来控制电池堆冷却水进、出口温差，通过PID控制器调节散热风扇以控制电池堆入口温度。

流量同时跟随电流及功率方式和神经网络自抗扰方法2种冷却系统控制策略。研究表明：流量同时跟随电流及功率控制策略能够有效地削弱水泵和散热器风扇的耦合作用，明显减少电池堆进、出口冷却水温度及其温差的超调量和调节时间。

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