摘要:對燃料電池冷卻方法及熱管理控制策略研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。介紹質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)熱量的產(chǎn)生及平衡，重點(diǎn)概述PEMFC液體冷卻、相變冷卻和空氣冷卻等3種冷卻方法，以及比例-積分-微分控制、預(yù)測控制、自適應(yīng)控制和模糊控制等熱管理控制策略。在此基礎(chǔ)上，明確燃料電池?zé)峁芾砜刂撇呗缘陌l(fā)展趨勢。

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)用于交通運(yùn)輸領(lǐng)域，具有高效、清潔和零溫室氣體排放等優(yōu)點(diǎn)，除此之外，它還具有功率密度高、啟動(dòng)時(shí)間快、效率高、操作溫度低(60～80℃)、操作簡單、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)［1］。溫度控制是燃料電池商業(yè)化面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

本文作者對熱量產(chǎn)生和能量平衡進(jìn)行歸納，在此基礎(chǔ)上，從冷卻方法和熱管理控制策略兩方面進(jìn)行綜述，其中目前國內(nèi)外熱管理控制策略包括傳統(tǒng)比例-積分-微分控制、預(yù)測控制、自適應(yīng)控制和模糊控制等，最后對未來所面臨的挑戰(zhàn)作出展望。

1 PEMFC熱量的產(chǎn)生和能量平衡

1.1 熱量的產(chǎn)生

燃料電池?zé)崃縼碓从诜磻?yīng)的熵?zé)?、電化學(xué)反應(yīng)的不可逆熱、歐姆電阻的熱以及水蒸氣的冷凝產(chǎn)生的熱量等［2］。其中80%的熱量取決于熵?zé)崤c反應(yīng)熱，對這部分熱的有效去除成為了冷卻的重點(diǎn)［3］。溫度過高會(huì)使質(zhì)子交換膜脫水，并中斷質(zhì)子傳導(dǎo)與導(dǎo)電，導(dǎo)致陰極催化劑含水量降低，甚至?xí)鸩豢赡孓D(zhuǎn)的結(jié)果;同時(shí)其溫度還具有不均勻性，它會(huì)降低PEMFC的穩(wěn)定性和耐久性［4］。因此，對PEMFC進(jìn)行有效的熱管理變得尤為重要。

1.2 能量的平衡

燃料電池堆的能量平衡有多種估計(jì)方法。一般情況下，認(rèn)為燃料電池堆反應(yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能與熱功率:



如果產(chǎn)生的水以液態(tài)形式流出電池堆，則燃料電池堆內(nèi)產(chǎn)生的熱量為:



式(1)－(2)中:F為法拉第常數(shù);HNHV為氫的高熱值;Qgen為電池堆產(chǎn)生的熱功率;ncell為電池堆中單體電池的片數(shù);I為電池堆電流;Ucell為電池堆電壓。

在燃料電池的實(shí)際應(yīng)用過程中，液體冷卻是最主要的散熱方式。當(dāng)產(chǎn)生的水以液態(tài)流出電堆時(shí)，若不能及時(shí)排出會(huì)造成電極積水，覆蓋催化層，降低催化層活性和電壓，從而影響電池的性能。為此，需要控制輸入的電壓、電流，調(diào)節(jié)電池堆工作溫度，保證水淹問題得到解決，維持燃料電池的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 燃料電池堆的冷卻方法

PEMFC堆的能量轉(zhuǎn)換效率在50%左右，且熱量主要來源于反應(yīng)的熵?zé)岷碗娀瘜W(xué)反應(yīng)的不可逆熱。為保證燃料電池在適宜的溫度下工作，須采用冷卻方法消除熱量。

2.1 液體冷卻劑冷卻

對于高功率(＞5 kW)的燃料電池和汽車用燃料電池，液體冷卻是最常用的冷卻方法。與空氣冷卻相比，液體冷卻具有高熱轉(zhuǎn)移能力、低流速等優(yōu)點(diǎn)［5］。液體冷卻劑可以是去離子水或者水和乙二醇的混合物，也可以是含有納米顆粒的納米流體［6］。X.Q.Zhao等［7］以電化學(xué)反應(yīng)和熱力學(xué)控制為依據(jù)，建立水冷系統(tǒng)模型，同時(shí)建立此模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)置3種不同操作條件:降低冷卻劑進(jìn)口溫度;增加進(jìn)出口之間的冷卻劑溫度差異;增加輸出電流。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較表明:在同樣的控制參數(shù)下，該模型數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。I.Zakaria等［8］研究了聚合物電解質(zhì)膜燃料電池單冷卻板中納米流體冷卻劑的應(yīng)用，此研究集中在燃料電池冷卻板中，將體積濃度為0.1%和0.5%的Al2O3分別加入到體積比6∶4和5∶5的水與乙二醇混合物中，作為冷卻劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與基礎(chǔ)流體相比，體積濃度0.5%的Al2O3在體積比6∶4和5∶5的水與乙二醇混合物中作為冷卻劑，傳熱分別提高23%和21%;但是壓力會(huì)隨之降低，壓降分別達(dá)到17%和20%。利用優(yōu)勢比，分析傳熱能力和壓力損失，結(jié)果表明:在體積比6∶4水與乙二醇混合物中，0.1%濃度的Al2O3是最好的納米流體冷卻劑材料，在體積比5:5水與乙二醇混合物中，0.1%濃度的Al2O3次之。

2.2 相變冷卻

相變冷卻是通過汽化的焓來消除燃料電池中的廢熱，在汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的應(yīng)用可分為熱管冷卻和蒸發(fā)冷卻［9］。

熱管冷卻是將熱管嵌入雙極板，在無外部動(dòng)力輸入的情況下，熱管將大量的熱量通過截面積進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸散熱。B.Suman等［10］建立一種多邊形微熱管的流體流動(dòng)和傳熱分析模型，分析流體流動(dòng)、熱量和質(zhì)量轉(zhuǎn)移的耦合非線性方程，與以前研究相比較，此熱管模型適用于燃料電池冷卻。M.V.Oro等［11］提出一種扁平熱管，結(jié)果表明:此熱管包括兩個(gè)微凹槽，一個(gè)密封的套管，一個(gè)毛細(xì)血管泵，對熱管進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該種熱管可達(dá)到PEMFC散熱的要求和運(yùn)行溫度。J.Clement等［12］對采用甲醇作為工作流體的冷卻系統(tǒng)，用脈動(dòng)熱管進(jìn)行性能試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其具備自動(dòng)調(diào)節(jié)和維持溫度小范圍變化的能力。

蒸發(fā)冷卻是在流動(dòng)通道中引入液態(tài)水，通過水蒸發(fā)時(shí)的相變，帶走燃料電池中的廢熱。A.Fly等［13］將液體水注入蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的陰極流動(dòng)通道中，通過仿真結(jié)果驗(yàn)證了蒸發(fā)式冷卻系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)能力。結(jié)果顯示:在正常電流范圍內(nèi)，電池堆溫度變化小于2.0℃，如果采用比例積分控制壓力，可進(jìn)一步將溫度變化范圍縮小到1.0～1.2℃。S.H.Hwang等［14］建立PEMFC的陰極加濕和蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，采用陰極加濕，提高堆的性能，并通過蒸發(fā)冷卻，降低冷卻劑溫度，達(dá)到冷卻的目的。

2.3 空氣冷卻

與其他冷卻方法相比，空氣冷卻是最簡單的冷卻方法，通過冷卻板或是陰極傳遞空氣，從而帶走燃料電池產(chǎn)生的廢熱。E.Afshari等［15］利用三維模型模擬冷卻板的金屬泡沫流動(dòng)和傳熱過程，對4種不同的冷卻劑流場設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)值研究，結(jié)果表明:金屬泡沫材料多孔流場的模型在降低表面溫差、平均表面溫度和最大表面溫度具有最佳性能。此外，由于具有高滲透系數(shù)，因此該模型中的壓降很低。M.Odabaee等［16］探討氣冷式鋁金屬泡沫燃料電池商業(yè)化的可能性，與水冷燃料電池冷卻系統(tǒng)相比，結(jié)果表明:消除同樣的熱量，使用鋁泡沫空氣冷卻的燃料電池只需要一半泵功率。當(dāng)應(yīng)用泡沫層在石墨板上創(chuàng)造了均勻的溫度分布時(shí)，則需要考慮燃料電池系統(tǒng)的冷卻劑溫度差異。B.Boyd等［17］對空氣冷卻金屬泡沫熱交換器的三維數(shù)值模擬進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該熱交換器可使加熱板的溫度均勻分布，從而減少設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜性。

通過對上述質(zhì)子交換膜燃料電池冷卻方法的概述發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相比，PEMFC具有更高的效率，也意味著PEMFC應(yīng)用于車輛時(shí)，排放到冷卻系統(tǒng)的熱量更多，要求選取更合適的冷卻方法?？諝饫鋮s只需將環(huán)境中的空氣通過電池陰極或是電池之間附加冷卻板，需要最小的平衡設(shè)備，冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也相對簡單。空氣冷卻主要應(yīng)用于額定功率小于5 kW的燃料電池;當(dāng)功率更大時(shí)，散熱要求將變得更高，實(shí)際應(yīng)用過程中可能無法滿足燃料電池的散熱需求。因此，空氣冷卻適用于小型燃料電池堆的散熱。

江館清秋，晨起看竹，煙光日影露氣，皆浮動(dòng)于疏枝密葉之間。胸中勃勃遂有畫意，其實(shí)胸中之竹，并不是眼中之竹也。因而磨墨展紙，落筆倏作變相，手中之竹，又不是胸中之竹也?？傊庠诠P先者，定則也;趣在法外者，化機(jī)也。獨(dú)畫云乎哉??

與空氣冷卻相比，液體冷卻適用于額定功率大于5 kW的燃料電池。傳統(tǒng)的液體冷卻采用水或水和乙二醇的混合物作為冷卻劑。為了進(jìn)一步提升其冷卻性能，目前許多學(xué)者致力于研究納米流體冷卻劑來提高傳熱強(qiáng)度，研究結(jié)果表明:納米流體冷卻劑能進(jìn)一步提高燃料電池散熱能力。目前納米流體冷卻劑的制備、儲(chǔ)存和冷卻過程的壓降還存在一些問題，還有待解決。蒸發(fā)冷卻是把液態(tài)水注入燃料電池的陰極流動(dòng)通道進(jìn)行蒸發(fā)。對比于其他冷卻方法，蒸發(fā)冷卻可以在散熱的同時(shí)對電池進(jìn)行加濕，最后還可以將蒸發(fā)的水收集到水箱以備使用，而且蒸發(fā)冷卻不需要外部加濕器或在電池堆內(nèi)單獨(dú)加冷卻板。目前，大功率燃料電池的燃料電池汽車等最可行的兩種冷卻方法是液體冷卻和蒸發(fā)冷卻。

3 熱管理控制策略

PEMFC是一種低溫燃料電池，可應(yīng)用于汽車、發(fā)電機(jī)和潛水艇等方面。在燃料電池中，電池堆溫度是一個(gè)重要的性能參數(shù)［18］，升高的溫度會(huì)增加水的活性，增強(qiáng)電化學(xué)活動(dòng)，降低膜的歐姆電勢，加劇膜和催化劑的降解，使燃料電池的輸出電壓上升，導(dǎo)致電池堆性能降低［19］;而低溫可能會(huì)導(dǎo)致水的凝結(jié)和電極產(chǎn)生電壓損失［20］。由于排氣溫度只能在70℃左右，大約有95%的熱量需要通過冷卻方法帶走，因此，燃料電池的散熱量相對較高［21］，且其理想的運(yùn)行溫度大約在60～80℃［22］。有效的熱管理控制策略是確保燃料電池所需工作溫度的關(guān)鍵。目前，人們對燃料電池進(jìn)行仿真或者通過實(shí)驗(yàn)研究熱管理的控制策略，以保證燃料電池工作所需的工作溫度。

3.1 傳統(tǒng)PID控制

比例-積分-微分(PID)控制器是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件，由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。Y.Saygili等［23］建立一種基于能量平衡的綜合冷卻系統(tǒng)，電流作為擾動(dòng)，利用一個(gè)開/關(guān)控制器來最小化風(fēng)扇的使用，同時(shí)通過反饋PI控制器來保持泵的電壓作為一個(gè)連續(xù)操作的變量，從而提供更好的溫度控制效果。V.Liso等［24］提出一種以控制為導(dǎo)向的液體冷卻PEM燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，分析在叉車的快速負(fù)荷變化過程中電池堆的溫度變化。在動(dòng)態(tài)條件下，對壓縮機(jī)、加濕器和冷卻系統(tǒng)集成的溫度、電池極化和水化模型進(jìn)行模擬，根據(jù)電流進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了PEMFC堆溫度的反饋PID控制。

傳統(tǒng)的PID控制具有使用靈活、結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用范圍廣和參數(shù)較易整定等優(yōu)點(diǎn)。目前，傳統(tǒng)PID控制廣泛用于PEMFC溫度控制，也是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的控制方式之一，但具有響應(yīng)速度慢、調(diào)節(jié)時(shí)間長等缺點(diǎn)。

3.2 預(yù)測控制

預(yù)測控制對數(shù)學(xué)模型的要求不高，但具有良好的跟蹤性能和較強(qiáng)的抗干擾能力，因此該方法具有較強(qiáng)的魯棒性。張培昌等［25］根據(jù)熱傳遞機(jī)理，建立溫度Simulink模型，基于此溫度模型設(shè)計(jì)模型預(yù)測控制(MPC)控制器，控制PEMFC的溫度，此策略將冷卻水流量作為控制輸入，電堆電流作為系統(tǒng)擾動(dòng)輸入，以此達(dá)到燃料電池溫度控制的目的。仿真結(jié)果表明:在負(fù)載擾動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行，MPC控制能快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且能抑制電流擾動(dòng)對輸出精度的影響，具有較強(qiáng)的魯棒性，保證PEMFC溫度在適宜的范圍運(yùn)行。與PID控制比較，普通預(yù)測控制達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間較短，但振幅和震蕩次數(shù)較多;包含前饋環(huán)節(jié)的預(yù)測控制穩(wěn)定時(shí)間最短，震蕩次數(shù)也最少;然而PID控制的震蕩次數(shù)和穩(wěn)定時(shí)間都較長，但超調(diào)量較小。N.Chatrattanawet等［26］將模型預(yù)測控制和基于線性時(shí)變模型的離線魯棒模型預(yù)測控制(MPC)應(yīng)用于PEMFC的控制中。與其他預(yù)測控制不同，此控制系統(tǒng)將相對增益陣列(RGA)作為控制性指標(biāo)應(yīng)用于系統(tǒng)中，通過MATLAB仿真，分析了PEMFC的性能，進(jìn)行了控制結(jié)構(gòu)和控制器的設(shè)計(jì)，結(jié)果表明:入口摩爾流量、工作電流密度以及氫氣和空氣的溫度，影響著電池溫度和電池電壓，空氣和氫氣的入口摩爾流量，對電池溫度起著調(diào)節(jié)作用。在模型不確定的情況下，魯棒MPC可以將電池電壓和電池溫度控制在設(shè)定值。

燃料電池作為一個(gè)具有很強(qiáng)的非線性、多輸入、多輸出的耦合系統(tǒng)，依據(jù)工作原理可知，傳統(tǒng)的控制算法很難使系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。模型預(yù)測控制(MPC)穩(wěn)定時(shí)間較短，振蕩次數(shù)少于PID控制，具有較強(qiáng)的魯棒性，在PEMFC控制系統(tǒng)中，能夠很好地處理設(shè)計(jì)回路時(shí)的約束，能夠抑制電流擾動(dòng)對輸出精度的影響，對實(shí)現(xiàn)PEMFC在負(fù)載擾動(dòng)狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行有一定指導(dǎo)意義。但是，實(shí)際應(yīng)用中選擇最優(yōu)化MPC算法的時(shí)候，需要較長的在線計(jì)算時(shí)間。

3.3 自適應(yīng)控制

自適應(yīng)控制是能修正自己的特性來適應(yīng)對象和擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性變化的控制方法。自適應(yīng)逆控制是用自適應(yīng)濾波方法辨識(shí)出被控對象的逆模型，串聯(lián)到對象的輸入端作為控制器，來控制對象動(dòng)態(tài)特性的自適應(yīng)控制方法，其優(yōu)點(diǎn)在于能將系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能達(dá)到最優(yōu)，同時(shí)將對象擾動(dòng)的影響降到最小。J.Han等［27］設(shè)計(jì)了模型參考自適應(yīng)反饋控制器，在PEMFC中參數(shù)變化情況下，控制電堆和冷卻劑入口溫度，保持負(fù)載恒定，分別改變電流密度和環(huán)境溫度，通過與一個(gè)名義反饋控制器作比較，對所提出的控制器進(jìn)行評估。模型參考自適應(yīng)控制與名義反饋控制算法相比，在系統(tǒng)參數(shù)變化的情況下，具有較快的恢復(fù)速度和較低的偏差，解決了名義反饋控制具有的局限性。尹良震等［28］提出對于PEMFC發(fā)電系統(tǒng)采用自適應(yīng)逆控制的實(shí)時(shí)最優(yōu)溫度控制策略，將電壓作為控制信號(hào)，輸入范圍是0～12 V，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其工作溫度對系統(tǒng)輸出性能的影響。相對于傳統(tǒng)PID控制方法而言，自適應(yīng)逆控制能將PEMFC溫度控制在理想溫度范圍內(nèi)，有效降低系統(tǒng)的超調(diào)量，減小輸出電壓波動(dòng)，負(fù)載變化過程中抑制超調(diào)作用顯著，短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)溫度的實(shí)時(shí)跟蹤控制，同時(shí)操作條件簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

在自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)上，自適應(yīng)逆控制可以自動(dòng)跟蹤燃料電池的動(dòng)態(tài)變化，針對參數(shù)時(shí)變的PEMFC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電池溫度的最優(yōu)化控制。通過簡單四則運(yùn)算，解決了PEMFC系統(tǒng)的控制問題，不需要進(jìn)行復(fù)雜的非線性建模和參數(shù)識(shí)別，計(jì)算量小，易于硬件實(shí)現(xiàn)。與PID控制相比，自適應(yīng)逆控制調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，電壓波動(dòng)小，有利于燃料電池穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載條件下溫度的最優(yōu)控制，對燃料電池尋找最適宜工作溫度有一定的幫助。

3.4 模糊控制

模糊控制是一種非線性智能控制，利用人的知識(shí)對控制對象進(jìn)行控制的一種方法，具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)，對系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強(qiáng)的魯棒性和較好的容錯(cuò)性等優(yōu)勢，尤其適用于非線性、時(shí)變、滯后系統(tǒng)的控制。K.Ou等［29］開發(fā)多輸入、多輸出(MIMO)模糊控制器實(shí)時(shí)控制一個(gè)非線性動(dòng)態(tài)燃料電池系統(tǒng)，依據(jù)模糊控制策略，對軸向風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和濕度變化的氣泡加濕器的電磁閥開/關(guān)進(jìn)行控制，根據(jù)電流的輸入、溫度誤差的導(dǎo)數(shù)及導(dǎo)數(shù)控制溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在控制燃料電池溫度的過程中，此方法不僅反應(yīng)速度快，而且只有輕微的波動(dòng)，可提高燃料電池的輸出功率。田玉冬等［30］利用多變量模糊理論和模糊邏輯控制對PEMFC溫度進(jìn)行控制，保證燃料電池在60～80℃運(yùn)行，建立溫度模糊控制系統(tǒng)，解決PEMFC控制參數(shù)不易確定、滯后性等問題。溫度模糊控制魯棒性較強(qiáng)，能夠節(jié)約能源，改善控制質(zhì)量，尤其適用于具有非線性、滯后性、耦合性的PEMFC溫度控制。胡鵬等［31］為消除模糊控制過程中系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，分析PEMFC內(nèi)部熱動(dòng)態(tài)特性，建立動(dòng)態(tài)溫度模型，并基于模糊控制，設(shè)計(jì)了帶積分環(huán)節(jié)的二維增量模糊控制器，溫度誤差和溫度誤差變化率作為輸入量，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)冷卻水流量，階躍負(fù)載作為測試信號(hào)。仿真結(jié)果表明:此溫度控制方法能實(shí)時(shí)控制電堆溫度在合理工作范圍內(nèi)，消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，魯棒性強(qiáng)，且能將外部負(fù)載變化的擾動(dòng)降到最低。

對于PEMFC這個(gè)多輸入、多輸出的非線性系統(tǒng)，通過控制冷卻水流量、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等參數(shù)來調(diào)節(jié)溫度時(shí)，模糊溫度控制策略不需要準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此模糊控制能更好的實(shí)現(xiàn)溫度控制。與PID控制相比，模糊控制響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，魯棒性強(qiáng)，具有更好的溫度調(diào)節(jié)能力，但易產(chǎn)生靜態(tài)誤差，并入積分環(huán)節(jié)可消除靜態(tài)誤差。

3.5 協(xié)同控制

S.L.Cheng等［32］建立冷卻系統(tǒng)模型，由一個(gè)堆棧、一個(gè)水箱和一個(gè)散熱器連接到一個(gè)冷卻風(fēng)扇上組成，并加入基于模型的控制器。該控制器由非線性反饋和線性二次型調(diào)節(jié)器(LQR)狀態(tài)反饋組成，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和環(huán)境溫度作為輸入，電堆出口水溫作為輸出。收集數(shù)據(jù)顯示:此控制策略可以保持堆棧溫度變化范圍在±0.5℃。F.C.Wang等［33］提出 PEMFC系統(tǒng)的魯棒PID控制，將PEMFC模型作為一個(gè)多變量系統(tǒng)進(jìn)行建模，應(yīng)用識(shí)別技術(shù)來獲得系統(tǒng)的s傳遞函數(shù)矩陣，魯棒控制可克服系統(tǒng)的不確定性和擾動(dòng)，結(jié)合魯棒控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)，可以提高燃料的電池性能。

通過以上控制策略，可以發(fā)現(xiàn)不同的控制策略相結(jié)合可更好的控制PEMFC的溫度，控制策略之間彼此結(jié)合，可克服自身的缺點(diǎn)，將各自的優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮，更精確的控制電池溫度。

3.6 其他控制

J.Han等［34］應(yīng)用一種狀態(tài)反饋控制算法控制多輸入和多輸出系統(tǒng)，此控制算法使用狀態(tài)空間方法設(shè)計(jì)，通過控制散熱器風(fēng)扇和旁通閥對4種不同的控制策略進(jìn)行比較，來達(dá)到減小燃料電池寄生功率的效果。S.Yu等［35］開發(fā)一種PEMFC的熱模型和熱管理系統(tǒng)，設(shè)置了熱管理的標(biāo)準(zhǔn)，并提出了最小冷卻寄生損失熱管理策略。通過建立水傳輸模型、凝聚結(jié)構(gòu)的電化學(xué)模型和二維傳熱模型組成燃料電池模型，從而模擬溫度敏感的電化學(xué)反應(yīng)，并捕捉熱管理對性能的影響。通過調(diào)節(jié)散熱器冷卻風(fēng)扇和控制冷卻劑泵流量，可以有效控制燃料電池運(yùn)行溫度，冷卻系統(tǒng)具有最小的冷卻寄生損失。J.J.Hwang等［36］在不同的外部負(fù)載下，使用熱控制單元和智能算法將燃料電池溫度控制在工作范圍內(nèi)，該系統(tǒng)協(xié)調(diào)散熱器風(fēng)扇和對流風(fēng)扇的活動(dòng)，以及恒溫器的開啟度來控制電堆冷卻劑進(jìn)口溫度。結(jié)果表明，系統(tǒng)的效率得到提高，在負(fù)載達(dá)到80%時(shí)，效率增加至46%。

4 結(jié)論

雖然燃料電池?zé)峁芾砜刂撇呗砸呀?jīng)得到相應(yīng)的應(yīng)用，但要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的普及與應(yīng)用，仍然有許多困難?；谀壳暗难芯楷F(xiàn)狀，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

①反應(yīng)的熵?zé)岷碗娀瘜W(xué)反應(yīng)的不可逆熱是PEMFC熱量的主要來源，傳統(tǒng)的冷卻方法雖能滿足溫度控制要求，但在穩(wěn)定性、響應(yīng)速度等方面還需采取控制策略來解決;

②雖然PID控制能實(shí)現(xiàn)溫度控制，但傳統(tǒng)的PID溫度控制方法還存在一些問題，如抗干擾能力差、響應(yīng)速度慢等;

③PEMFC是多輸入、多輸出系統(tǒng)，單一的控制策略能控制PEMFC溫度在60～80℃，但每種控制策略都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)燃料電池多方面的控制。

在以后的研究中，可以通過多種控制策略協(xié)作，控制燃料電池的溫度，達(dá)到提高燃料電池的性能的效果。

作者：張寶斌1，劉佳鑫1，2，李建功1，謝世滿1
1.華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院
2.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院