質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有運(yùn)行溫度低、功率密度高、低溫啟動(dòng)快、能量轉(zhuǎn)換效率高和零污染等優(yōu)點(diǎn)，是很有可能取代內(nèi)燃機(jī)的一種新型汽車(chē)動(dòng)力源。
PEMFC中電化學(xué)反應(yīng)氣體的溫度會(huì)影響材料的特性、反應(yīng)速度等，溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響燃料電池系統(tǒng)性能。因此，水熱管理是PEMFC系統(tǒng)不可缺少的子系統(tǒng)，而中冷器是其中重要的部件。
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目前在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中鮮有單獨(dú)針對(duì)PEMFC系統(tǒng)中冷器的研究，只有Takamasa等人從中冷器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)介紹和比較了各種不同類(lèi)型中冷器和作用。其它設(shè)計(jì)燃料電池系統(tǒng)中冷器建模的文件，對(duì)具體模型的描述較為簡(jiǎn)單，往往忽略其動(dòng)態(tài)特性，也少有針對(duì)性的仿真分析。
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為研究中冷器在PEMFC系統(tǒng)中的作用，本文針對(duì)某款實(shí)際PEMFC系統(tǒng)中冷器建立了機(jī)理模型，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)中冷器冷卻效果主要影響因素進(jìn)行了仿真分析。
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一、中冷器的作用和分類(lèi)
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典型的PEMFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11所示?？諝饨?jīng)過(guò)空壓機(jī)壓縮后，其溫度迅速升高，最高可以達(dá)到150℃以上，PEMFC屬低溫燃料電池，工作溫度在80℃左右。高溫空氣直接進(jìn)入電堆，不但會(huì)導(dǎo)致電堆性能下降，還有可能損壞質(zhì)子交換膜。因此，需要用中冷器降低電堆入口空氣溫度，使電堆工作在合適的溫度范圍內(nèi)。
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經(jīng)過(guò)中冷器的高溫空氣其溫度明顯下降，但壓力下降較小，因此，經(jīng)過(guò)中冷器后的空氣相對(duì)濕度也會(huì)有所提高。尤其是在高壓系統(tǒng)中，在同樣溫度下相對(duì)濕度會(huì)更高。所以，中冷器主要有降低空氣溫度和提高相對(duì)濕度兩個(gè)作用。
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圖1 燃料電池系統(tǒng)組成
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中冷器根據(jù)換熱操作過(guò)程不同可分為簡(jiǎn)壁式、混合式及蓄熱式三大類(lèi)。間壁式中冷器是工程實(shí)際中應(yīng)用最廣泛的一種，可以細(xì)分為套管式、管殼式、交叉流式、板式和螺旋板式。文獻(xiàn)[4,5]對(duì)管殼式和板式兩種類(lèi)型中冷器的質(zhì)量、體積、壓降等進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和比較。燃料電池系統(tǒng)大多使用間壁式中冷器。按冷卻介質(zhì)不同，間壁式中冷器可分為水冷和風(fēng)冷兩大類(lèi)，其特征如表1所示。本文研究的是水冷逆流式中冷器。
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表1 風(fēng)冷式和水冷式中冷器特點(diǎn)比較
二、中冷器模型
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1、出口空氣溫度和出口冷卻液溫度
根據(jù)傳熱學(xué)原理，針對(duì)某款具體的水冷逆流式中冷器（見(jiàn)圖2）建立了機(jī)理模型。中冷器入口空氣的溫度Tairin可由空壓機(jī)模型求得；中冷器入口冷卻液溫度Tcoolantin可由散熱器模型求得。因此，中冷器模型主要計(jì)算出口空氣溫度和冷卻液溫度。
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圖2 水冷逆流式中冷器示意圖
根據(jù)傳熱學(xué)原理，中冷器的傳熱方程可表示為：
從熱流或冷流角度單獨(dú)考慮，其熱功率變化可以表示為：
i代表熱流或冷流。
根據(jù)中冷器的散熱原理，冷熱介質(zhì)的熱量變化由冷熱介質(zhì)間的熱傳導(dǎo)（即（1）和介質(zhì)本身的熱功率變化（即式（2）））兩部分組成。
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模型假設(shè)：（1）中冷器的熱交換僅限于冷卻液和熱空氣之間進(jìn)行；（2）為了便于計(jì)算，冷卻液和熱空氣的平均溫差用出口溫差來(lái)表示。
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從而得到關(guān)于中冷器出口空氣溫度的動(dòng)態(tài)方程。在式（6）、（7）中，式子左邊的τair和τcoolant兩個(gè)參數(shù)影響溫度變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，而不影響溫度的穩(wěn)態(tài)值。
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2、相對(duì)濕度
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經(jīng)過(guò)中冷器后空氣相對(duì)濕度的變化量為：
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三、模型驗(yàn)證與仿真分析
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1、模型驗(yàn)證
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本模型是針對(duì)某實(shí)際的45kW質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的中冷器建立的，利用該中冷器（如圖3所示）在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證結(jié)果如圖4、5所示。
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圖3 中冷器實(shí)物圖
圖4 出口空氣溫度結(jié)果比較
圖5 出口冷卻液溫度結(jié)果比較
由圖4可知，中冷器出口空氣溫度隨空氣流量的增大而升高。模型的仿真結(jié)果有一定的偏差。如圖5所示，中冷器出口冷卻液溫度隨著空氣流量的增大而升高，但升高不明顯，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的偏差非常小，這是因?yàn)槔鋮s液的比熱容較大，且流量遠(yuǎn)比空氣流量大，當(dāng)空氣流量變化時(shí)，出口冷卻液的溫度變化很小。
中冷器出口空氣溫度偏差和冷卻液溫度偏差全都控制在1%以內(nèi)，模型誤差在合理范圍內(nèi)。因此，模型是可信賴的，可用于中冷器冷卻效果影響因素分析。
2、仿真分析
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（1）動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析
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本文建立的中冷器模型為動(dòng)態(tài)模型，故可進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的負(fù)載工況電流，可得到中冷器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，如圖6所示、從圖中可以看出，當(dāng)空氣流量發(fā)生階躍變化時(shí)，空氣溫度的響應(yīng)時(shí)間在170秒左右，冷卻液溫度的響應(yīng)時(shí)間在200秒左右，與實(shí)際中冷器的溫度響應(yīng)過(guò)程一致。
圖6 中冷器動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線
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（2）冷卻效果影響因素分析
根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果可知，中冷器的換熱效率主要受冷卻液流量、空氣流量、入口空氣溫度、入口冷卻液溫度四個(gè)影響因素進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果如圖7-10所示，各圖的仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示。
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表2 影響因素仿真參數(shù)表
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圖7 空氣流量對(duì)出口空氣溫度的影響
圖8 冷卻液流量對(duì)出口空氣溫度的影響
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圖8顯示的是冷卻液流量對(duì)出口溫度的影響，當(dāng)冷卻液流量增大時(shí)，出口空氣溫度有所下降，但當(dāng)流量超過(guò)0.6kg/s時(shí)，其對(duì)出口空氣溫度的影響較小，即調(diào)節(jié)冷卻液流量的方式只有在一定流量范圍內(nèi)有較好的作用。在這個(gè)范圍內(nèi)，入口空氣溫度越高，流量越大，調(diào)節(jié)效果越明顯。這是因?yàn)楫?dāng)流量超過(guò)一定程度時(shí)，由于受到2換熱能力的限制，中冷器出入口溫差變化不大，此時(shí)冷卻水流量的變化對(duì)中冷器換熱量的影響很小。該仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[12]的結(jié)果一致。
圖9顯示的是入口空氣溫度對(duì)出口空氣溫度的影響，顯然出口空氣溫度隨著入口空氣溫度的升高而升高，且空氣流量越大，入口空氣溫度的影響越明顯。以上分析表明，空氣流量和空氣溫度的變化對(duì)出口空氣溫度的影響較大。
圖9 中冷器入口空氣溫度對(duì)出口空氣溫度的影響
圖10 中冷器入口冷卻液溫度對(duì)出口空氣溫度的影響
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四、結(jié)論
中冷器是PEMFC系統(tǒng)的一個(gè)重要部件，本文根據(jù)傳熱學(xué)原理，針對(duì)某款實(shí)際水冷逆流式中冷器建立了機(jī)理模型，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果表明，本文建立的模型能夠較準(zhǔn)確地反映中冷器的工作原理，可以用于完善PEMFC系統(tǒng)建模和仿真。基于中冷器模型，本文還對(duì)中冷器主要冷卻效果的影響因素進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明，中冷器入口的空氣溫度和流量對(duì)出口空氣溫度影響較大；在一定范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)冷卻液流量能夠有效調(diào)節(jié)出口空氣溫度。仿真分析結(jié)果對(duì)制定燃料電池系統(tǒng)水熱管理控制策略具有一定的指導(dǎo)作用。
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來(lái)源|《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》，作者:周蘇，俞林炯，高昆鵬，章桐??
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原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦氫科技網(wǎng)）：質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中冷器建模與仿真
