PEM燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)控制XINYingchao;YOURui;YANGBingrun【摘要】PEM燃料電池在運(yùn)行過程中除了產(chǎn)生電能外還將產(chǎn)生大量熱量，為避免熱量的積累導(dǎo)致電堆內(nèi)部溫度過高，需及時(shí)將多余熱能排出以保證電堆始終處于最佳工作溫度下.燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)可以在對(duì)負(fù)荷供應(yīng)電能的同時(shí)供應(yīng)熱能，進(jìn)而大幅提升系統(tǒng)的工作效率.本文建立了PEM燃料電池的數(shù)學(xué)模型，提出了一種燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)方案，同時(shí)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)在不同工作模式下的控制策略.建立了系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證了文中所提燃料電池系統(tǒng)熱電聯(lián)供設(shè)計(jì)方案與控制策略的可行性和有效性.【期刊名稱】《青島農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》【年(卷)，期】2019(036)003【總頁數(shù)】6頁(P218-223)【關(guān)鍵詞】燃料電池;熱電聯(lián)供;控制【作者】XINYingchao;YOURui;YANGBingrun【作者單位】;;【正文語種】中文【中圖分類】TK91質(zhì)子交換膜燃料電池(Protonexchangemembranefuelcell，PEMFC)通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，具有廣泛的應(yīng)用前景［1-3］。質(zhì)子交換膜燃料電池的能量利用率只有40%-60%，其余的能量大多轉(zhuǎn)化成了熱能［4,5］。作為一種低溫燃料電池，質(zhì)子交換膜燃料電池的最佳工作溫度在60OC~80°C之間［6］,過高的溫度極易導(dǎo)致質(zhì)子交換膜的脫水干裂［7,8］，對(duì)電堆的安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅。為防止電堆內(nèi)熱量積累導(dǎo)致溫度過高，電堆在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量必須及時(shí)排出，這部分排出的熱量可進(jìn)行重新利用以達(dá)到熱電聯(lián)供的效果。張興梅、陳曦等人［9,10］分析了燃料電池?zé)犭娐?lián)供時(shí)能量的供需匹配關(guān)系，并對(duì)系統(tǒng)效率進(jìn)行了分析。由宏新、候大鵬、郭東陽等人［11-13］分析了燃料電池的熱量來源和散熱途徑，并指出了相應(yīng)計(jì)算方法。李曉嫣、牛茁等人［14,15］建立了電堆的電模型和熱模型，并進(jìn)行了動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)。本文基于上述研究設(shè)計(jì)了一種燃料電池的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，通過利用換熱器將電堆冷卻水循環(huán)系統(tǒng)與儲(chǔ)水式電熱水器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃料電池?zé)崃康幕厥绽谩?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理圖1所示為燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要由電堆、負(fù)載、散熱器、換熱器、水泵、儲(chǔ)水式電熱水器、三通分流閥、溫度傳感器、電磁閥、混合閥等組成。系統(tǒng)在對(duì)負(fù)載供電的同時(shí)，將電堆中產(chǎn)生的熱量以熱水的形式存入了儲(chǔ)水式電熱水器中，提升了系統(tǒng)的能量利用率。圖1熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1SchematicdiagramoftheCHPsystem電堆在運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量的熱量，系統(tǒng)通過循環(huán)水泵M1控制冷卻水的流量W1,將電堆中產(chǎn)生的多余熱量帶出電堆。冷卻水流量的大小可以控制電堆出口冷卻水的溫度，根據(jù)Q=W1CclAT，冷卻水流量越大，電堆出入口冷卻水溫差越小，當(dāng)電堆入口冷卻水溫度一定時(shí)，電堆出口冷卻水溫度越低；同理，冷卻水流量越小，電堆出口冷卻水溫度越高。升溫后的冷卻水流經(jīng)散熱器和換熱器將攜帶的熱量排出，降溫后的冷卻水在循環(huán)水泵M1的驅(qū)動(dòng)下再次流入電堆，源源不斷地將電堆運(yùn)行過程中產(chǎn)生的多余熱量帶出。為對(duì)冷卻水中攜帶的熱量進(jìn)行充分利用，系統(tǒng)優(yōu)先使用換熱器對(duì)冷卻水進(jìn)行降溫。通過控制三通分流閥對(duì)散熱器進(jìn)行隔離，使得冷卻水繞過散熱器直接流入換熱器中。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量可由高溫物質(zhì)自動(dòng)向低溫物質(zhì)傳遞，因系統(tǒng)中自來水溫度低于冷卻水溫度，因此高溫冷卻水將自身熱量自動(dòng)傳遞給流經(jīng)換熱器的自來水。系統(tǒng)通過水泵M2控制流經(jīng)換熱器的自來水流量W2，調(diào)節(jié)流出換熱器的冷卻水溫度。流經(jīng)換熱器后升溫的自來水注入儲(chǔ)水式電熱水器中，當(dāng)需要使用熱水時(shí)可直接從儲(chǔ)水式電熱水器中排出。系統(tǒng)將電堆運(yùn)行過程中產(chǎn)生的多余熱量以熱水的形式進(jìn)行了存儲(chǔ)，電堆不僅可以向負(fù)載供應(yīng)電能，同時(shí)可以提供熱水，實(shí)現(xiàn)了燃料電池系統(tǒng)的熱電聯(lián)供。當(dāng)儲(chǔ)水式電熱水器不需要注入熱水時(shí)，通過控制三通分流閥對(duì)換熱器進(jìn)行隔離，使得令卻水流經(jīng)散熱器將熱量排出。通過控制散熱器中風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)流經(jīng)散熱器的冷卻空氣流量，將冷卻水中攜帶的熱量排入周圍空氣中。2模型建立質(zhì)子交換膜燃料電池在熱力學(xué)可逆狀態(tài)下工作時(shí)，陽極和陰極之間獲得最大的電勢(shì)差，即理想熱力學(xué)電動(dòng)勢(shì)。但是由于極化損耗的存在，燃料電池的實(shí)際輸出電壓遠(yuǎn)小于理想熱力學(xué)電動(dòng)勢(shì)。單片燃料電池輸出電壓可表示為［16,17］:Vcell=En-Vact-Vohm-Vcon(1)式中，Vcell為單片燃料電池輸出電壓，V;En為理想熱力學(xué)電動(dòng)勢(shì)，V;Vact為活化過電壓，V;Vohm為歐姆過電壓，V;Vcon為濃差過電壓，V。在實(shí)際運(yùn)行過程中，為獲得更高的輸出電壓，通常將多片燃料電池串聯(lián)成一個(gè)燃料電池電堆［18］，電堆輸出電壓可表示為：Vst=NxVcell(2)式中，Vst為電堆輸出電壓，V;N為電堆中串聯(lián)的燃料電池個(gè)數(shù)。電堆運(yùn)行過程中除了產(chǎn)生電能外還生成大量的熱量，根據(jù)熱平衡方程，電堆的產(chǎn)熱功率和散熱功率與電堆溫度之間的關(guān)系為［19］:⑶式中，Mst為電堆的質(zhì)量，kg;Cst為電堆比熱容，kJ/(kgK);Qgen為電堆的產(chǎn)熱功率，kW;Qdis為電堆散熱功率，kW;Tst為電堆溫度，K。假設(shè)電堆消耗的氣體中的化學(xué)能全部轉(zhuǎn)化為電能和熱量，則電堆的產(chǎn)熱功率可表示為:Qgen=Qtotal-Pst⑷式中，Qtotal為單位時(shí)間內(nèi)消耗的反應(yīng)氣體中的化學(xué)能，kJ/s;Pst為電堆的輸出電功率，kW。電堆產(chǎn)生的熱量主要由三種途經(jīng)排出：反應(yīng)氣體帶出的熱量、電堆向外輻射的熱量和冷卻水帶出的熱量。其中，冷卻水帶出的熱量占總熱量的90%以上，是電堆散熱的主要途徑［20,21］。冷卻水流經(jīng)電堆將熱量帶出，假設(shè)冷卻水在電堆內(nèi)充分吸收熱量，則可認(rèn)為電堆出口處冷卻水溫度等于電堆工作溫度。單位時(shí)間內(nèi)冷卻水從電堆中帶走的熱量可表示為：⑸式中，W1為冷卻水流量，kg/s;Ccl為冷卻水比熱容，為電堆入口冷卻水溫度，為電堆出口冷卻水溫度，°C。通過水泵M2控制流經(jīng)換熱器的自來水流量，可將冷卻水中攜帶的熱量傳遞給自來水，換熱器的換熱功率和流經(jīng)換熱器后冷卻水的溫度可表示為：Qex=W2C(T2-T0)(6)⑺式中，W2為流經(jīng)換熱器的自來水流量，kg/s;C為自來水比熱容，kJ/(kgK);T2為流經(jīng)換熱器后的自來水溫度，°C;T0為室溫下自來水溫度，為換熱器出口冷卻水溫度，C。散熱器的模型與換熱器類似，換熱器將冷卻水中的熱量傳遞給自來水中，而散熱器將冷卻水中的熱量通過熱對(duì)流傳遞給空氣并排出，散熱器數(shù)學(xué)模型本文不再詳述。當(dāng)儲(chǔ)水式熱水器中的水溫低于設(shè)定值時(shí)，熱水器以額定功率運(yùn)行直至水溫達(dá)到設(shè)定值，熱水器的耗電量可以表示為：WC=Pnxt(8)式中，WC為熱水器耗電量，kWh;Pn為熱水器額定功率，kW;t為熱水器運(yùn)行時(shí)間，h。3系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的控制策略主要是通過調(diào)節(jié)冷卻水的流量(控制循環(huán)水泵M1實(shí)現(xiàn))來控制電堆出口冷卻水溫度，通過調(diào)節(jié)冷卻空氣流量(控制散熱器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn))或通過調(diào)節(jié)流經(jīng)換熱器的自來水流速(控制水泵M2實(shí)現(xiàn))來控制電堆入口冷卻水溫度，使得電堆始終運(yùn)行在最佳工作溫度。在系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)的情況下，要求控制系統(tǒng)能迅速消除擾動(dòng)對(duì)電堆溫度帶來的影響。在此基礎(chǔ)上，對(duì)冷卻水中攜帶的熱量進(jìn)行充分利用，利用儲(chǔ)水式熱水器實(shí)現(xiàn)對(duì)熱量的存儲(chǔ)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)分為換熱器運(yùn)行模式和散熱器運(yùn)行模式，兩種模式的選擇取決于儲(chǔ)水式熱水器中熱水的儲(chǔ)量，運(yùn)行模式選擇和電熱水器的控制如圖2所示。圖2模式選擇和熱水器控制策略Fig.2Controlstrategyofmodeselectionandwaterheater當(dāng)熱水器中熱水的儲(chǔ)量C低于額定容量S的20%時(shí)，選擇換熱器運(yùn)行模式，同時(shí)為保證熱水器中有充足的水量，除換熱器繼續(xù)保持運(yùn)行將流經(jīng)換熱器的高溫自來水注入熱水器之外，室溫自來水也流入熱水器中。當(dāng)熱水器中熱水的儲(chǔ)量C高于額定容量S的20%時(shí)，換熱器繼續(xù)工作并將高溫自來水注入熱水器，此時(shí)室溫自來水不再流入熱水器中。當(dāng)儲(chǔ)水器中熱水的儲(chǔ)量C升至額定容量S時(shí)，系統(tǒng)切換至散熱器運(yùn)行模式，此時(shí)換熱器停止工作，冷卻水中的熱量由散熱器排出。為保證系統(tǒng)運(yùn)行過程中電堆始終處于最佳工作溫度，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化而引起電堆溫度變化時(shí)，控制系統(tǒng)能夠迅速消除擾動(dòng)對(duì)電堆溫度的影響，其控制策略如圖3所示。圖3電堆溫度控制策略Fig.3Temperaturecontrolstrategyofthestack電堆出口冷卻水溫度由冷卻水流量決定，由式(5)可知，當(dāng)電堆入口冷卻水溫度一定時(shí)，冷卻水流量越大，單位時(shí)間內(nèi)冷卻水從電堆中帶出的熱量越多，電堆出口冷卻水溫度越低；反之，冷卻水流量越小，電堆出口冷卻水溫度越高。當(dāng)電堆運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，如圖3所示，根據(jù)電堆出口冷卻水溫度與溫度參考值之間的誤差，通過PI調(diào)節(jié)器控制直流循環(huán)水泵M1的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制冷卻水的流量，從而使得電堆出口冷卻水溫度能夠迅速恢復(fù)到正常值。電堆入口冷卻水溫度由散熱器和換熱器決定的，當(dāng)工作在換熱器模式下時(shí)，由式(6)可知，換熱器入口冷卻水溫度一定時(shí)，流經(jīng)換熱器的自來水流量越大，單位時(shí)間內(nèi)冷卻水熱量散失的越多，電堆入口冷卻水溫度越低；反之，流經(jīng)換熱器的自來水流量越小，電堆入口冷卻水溫度越高。當(dāng)電堆運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，如圖3所示，根據(jù)電堆入口冷卻水與溫度參考值之間的誤差，通過PI調(diào)節(jié)器控制直流循環(huán)水泵M2的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制流經(jīng)換熱器的自來水流量，從而使得電堆入口冷卻水溫度能夠迅速恢復(fù)到正常值。換熱器控制策略與散熱器類似，本文不再詳述。4仿真與分析為了對(duì)建立的模型和提出的控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，本文利用MATLAB/Simulink軟件搭建了上述系統(tǒng)的仿真模型，系統(tǒng)電堆中的燃料電池為50片，電堆入口冷卻水溫度參考值為65°C,電堆出口冷卻水溫度參考值為70°C。溫度對(duì)電堆的輸出特性具有顯著影響，當(dāng)系統(tǒng)采用定燃料利用率對(duì)燃料電池供應(yīng)氫氣時(shí)，不同溫度條件下電堆的輸出特性曲線如圖4所示，從圖中可以看出，溫度越高，電堆輸出功率越大，這一特性在電流值較大時(shí)尤為明顯。圖4的仿真結(jié)果表明本文所建模型能夠反映溫度對(duì)電堆輸出特性的影響，并且溫度越高，電堆的輸出特性越好。但由于質(zhì)子交換膜材料的限制，電堆的最高工作溫度不應(yīng)超過80C,否則將引起質(zhì)子交換膜的脫水干裂，造成嚴(yán)重的安全事故。圖4不同溫度下電堆輸出功率Fig.4Outputpowerofthestackatdifferenttemperatures電堆的輸出電流越大，其極化損耗電壓越大，因此其輸出電效率越低，而熱效率越高。如圖5所示，當(dāng)采用儲(chǔ)水式電熱水器將熱量存儲(chǔ)起來后，雖然電堆的輸出電效率隨著輸出電流的增大而減小，但系統(tǒng)的電效率和熱效率之和得到顯著提升，最高可達(dá)95%左右。圖5交攵率曲線Fig.5Efficiencycurve為檢驗(yàn)系統(tǒng)的抗干擾能力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，當(dāng)系統(tǒng)工作在換熱器模式下時(shí)，對(duì)電堆輸出電流進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。在10s時(shí)，電堆輸出電流由50A階躍上升至150A;在20s時(shí)，電堆輸出電流階躍下降至100A，以此來模擬負(fù)載的連續(xù)變化。電堆出入口冷卻水溫度變化情況如圖6所示，在10s時(shí)，電堆出入口冷卻水溫度都出現(xiàn)了上升，然后經(jīng)過3s左右的時(shí)間逐漸下降恢復(fù)到正常值。在20s時(shí)，電堆出入口冷卻水溫度都出現(xiàn)了下降，然后經(jīng)過2.5s左右的時(shí)間逐漸上升并恢復(fù)到正常值。圖中冷卻水溫度變化的幅值不超過5°C,在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，表明系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)能夠?qū)焖俚卣{(diào)節(jié)冷卻水溫度，使其始終保持在最佳工作溫度附近。冷卻水溫度出現(xiàn)圖6所示變化現(xiàn)象的原因是由于在10s時(shí)刻電堆輸出電流階躍上升時(shí)，散熱系統(tǒng)來不及做出反應(yīng)，冷卻水中攜帶的熱量無法及時(shí)排出，因而系統(tǒng)內(nèi)熱量堆積導(dǎo)致電堆出入口冷卻水溫度出現(xiàn)了上升。隨著圖7所示冷卻水流量和流經(jīng)換熱器的自來水流量的增大，冷卻水溫度逐漸下降并恢復(fù)到正常值。在20s時(shí)刻電堆輸出電流階躍下降時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)熱量流失過快導(dǎo)致電堆出入口冷卻水溫度出現(xiàn)了下降。隨著冷卻水流量和流經(jīng)換熱器的自來水流量的減小，冷卻水溫度逐漸上升并恢復(fù)到正常值。圖6電流變化時(shí)冷卻水溫度Fig.6Changeofthecoolingwatertemperaturewhencurrentvaries圖7電流變化時(shí)冷卻水流量和自來水流量Fig.7Changeofthecoolingwaterflowandtapwaterflowwhencurrentvaries系統(tǒng)的工作模式在運(yùn)行過程中會(huì)根據(jù)需要進(jìn)行切換，在系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間，電堆的運(yùn)行溫度不能出現(xiàn)過大幅度的升高。當(dāng)熱水器中的熱水儲(chǔ)量等于額定容量時(shí)，系統(tǒng)由換熱器工作模式切換為散熱器工作模式。在此過程中電堆輸出電流始終保持在100A,在5s時(shí)，系統(tǒng)工作模式發(fā)生轉(zhuǎn)換，電堆出入口冷卻水溫度的變化情況如圖8所示，冷卻水溫度出現(xiàn)上升后經(jīng)過3s左右時(shí)間恢復(fù)到正常值。圖中冷卻水溫度的變動(dòng)幅值在允許范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)電堆的安全運(yùn)行造成影響。如圖8所示冷卻水溫度出現(xiàn)上升現(xiàn)象，是因?yàn)樵?s時(shí)刻換熱器立即停止工作，而此時(shí)散熱器尚未完全啟動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)熱量堆積引起冷卻水溫度的升高；隨著散熱器的啟動(dòng)，如圖9所示，流經(jīng)散熱器的冷卻空氣流量逐漸增大，系統(tǒng)中多余的熱量被釋放出來，冷卻水溫度逐漸下降恢復(fù)至正常值。圖8模式切換時(shí)冷卻水溫度Fig.8Changeofthecoolingwatertemperatureduringmodeswitching圖9模式切換時(shí)流經(jīng)散熱器的空氣流量Fig.9Changeoftheairflowthroughtheradiatorduringmodeswitching5結(jié)論文中基于換熱方案實(shí)現(xiàn)了PEM燃料電池的熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性和控制策略的正確性。通過利用換熱器將電堆中的廢熱存入儲(chǔ)水式熱水器中，使得燃料電池的熱量得到了有效利用，整個(gè)系統(tǒng)的能量利用率得到大幅提升。當(dāng)系統(tǒng)中電堆的輸出電流發(fā)生變化以及進(jìn)行換熱器與散熱器的模式切換時(shí)，電堆溫度在經(jīng)歷短暫波動(dòng)后能夠自動(dòng)快速地恢復(fù)到設(shè)定值，并且波動(dòng)的幅度在允許范圍內(nèi)，顯示系統(tǒng)具備良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。本文所作的研究為燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供了參考。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】張文毓.燃料電池的新進(jìn)展[J].上海化工，2014，39(4):29-32劉義鶴，江洪.燃料電池質(zhì)子交換膜技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2018(5):27-30裴普成，晁鵬翔，袁星，等.車用質(zhì)子交換膜燃料電池堆的設(shè)計(jì)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，49(11):1830-1833張興梅，趙璽靈，段常貴.質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)性能模擬[J].煤氣與熱力，2009，29(3):31-35黃念之.燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)的建模分析及優(yōu)化[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2018CAIYangben，YUEZhouying，JIANGQianlu，etal.Modifiedsiliconcarbidewhiskerreinforcedpolybenzimidazoleusedforhightemperatureprotonexchangemembrane[J].JournalofEnergyChemistry，2018，27(3):820-825曹濤鋒，林鴻，陶文銓.質(zhì)子交換膜燃料電池溫度和電流分布同步測(cè)定[J].化工學(xué)報(bào)，2011，62(S1):174-178賈秋紅，韓明，鄧斌，等.質(zhì)子交換膜燃料電池動(dòng)態(tài)建模及特性分析[J].電化學(xué)，2011，17(4):438-443張興梅，趙璽靈，段常貴.質(zhì)子交換膜燃料電池建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)研究[J].煤氣與熱力，2011,31(1):51-56陳曦.基于燃料電池的微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)集成分析和多目標(biāo)優(yōu)化研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2017由宏新，招聰，徐立軍，等.1kW家庭PEMFC-CHP系統(tǒng)熱量分析[J].電源技術(shù)，2018，42(4)：509-512侯大鵬.車載動(dòng)力電池組熱管理仿真模擬與優(yōu)化[D].杭州：浙江大學(xué)，2017郭陽東.基于典型城市工況的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾聿呗匝芯縖D].南京：南京航空航天大學(xué),2017李曉嫣