質子交換膜燃料電池動力系統熱管理綜述

周蘇 陳春光 樊磊

（同濟大學汽車學院，上海 201804）

主題詞：質子交換膜燃料電池 熱管理 多熱源系統

1 前言

隨著能源與環境問題的日益嚴重，清潔能源技術受到了世界各國的關注與重視。為了實現節能減排的目標，汽車行業正在逐步轉型，傳統內燃機汽車向電動汽車發展已經成為主流趨勢。質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）具有能源轉換效率高、排放無污染、燃料來源廣、操作溫度低、啟停迅速的優點，因而被公認為理想的車用能源轉換裝置。

但是，PEMFC的熱管理問題一直是限制其商用化的巨大挑戰。溫度異常會使PEMFC的正常工作性能大大降低甚至損壞相關組件[1-2]。PEMFC內部的電化學反應、氣液兩相流、電荷傳輸和質量傳輸過程都與熱量傳輸緊密耦合，溫度變化對各項反應活動都有影響[3]。

PEMFC的效率通常在40%～60%之間，所以會有40%～60%的能量以熱量的形式產生。與傳統內燃機不同，PEMFC由反應氣體帶出的熱量占其產熱量的比重很低，因此大量（約98%）的熱量都需要通過熱管理系統散出[4-6]。為了維持PEMFC內部溫度的均勻性，穩定有效的熱管理系統結構以及相應的控制策略必不可少。

燃料電池電堆的正常工作依賴于空氣供應子系統、氫氣供應子系統、水熱管理子系統和DC/DC的協調配合，因此其功率輸出響應比較滯后。但某些車用工況（如啟停、急加速、爬坡）對功率輸出的實時性要求很高，所以單一的PEMFC系統很難作為車用動力源。動力電池能夠在功率需求高、變化幅度大的工況下彌補PEMFC無法滿足的部分功率，同時還可以在功率需求急劇下降和制動時進行能量回收，大大彌補了單一PEMFC系統的不足。

本文綜述了近年來關于車用PEMFC動力系統熱管理子系統的結構、產熱與散熱、控制策略和研究方法的相關創新成果，并且針對不同的研究工作指出了創新研究重點以及未來可能的創新研究方向。

2 熱管理子系統設計

車用PEMFC動力系統的產熱源數量較多，主要包括電堆、動力電池、中冷器和電子產熱元件。在熱管理子系統結構設計中應該兼顧不同產熱源的散熱需求，保證系統的合理性與有效性。

2.1 單堆PEMFC系統

PEMFC系統包括空氣供應、氫氣供應和熱管理3個主要的子系統和電堆[7]。典型的車用PEMFC系統功率等級都比較高，因此通常采用液體冷卻的方式。對于單堆PEMFC系統的熱管理問題，大多數研究都聚焦于電堆的冷卻液回路[8]。Cheng等[9]對面向城市客車的PEMFC熱管理子系統進行了研究，該系統只考慮了單電堆的冷卻回路，利用水泵作為冷卻液動力源，冷卻液在電堆與散熱器之間循環使用（圖1）。趙洪波等[10]則是在類似于圖1結構的基礎上在散熱器旁增設了節溫器，考慮了熱管理系統中的大小循環。

圖1 PEMFC熱管理系統結構[9]

在PEMFC空氣供應子系統中，經過空氣壓縮機壓縮后的空氣溫度能夠達到150℃以上[11]，因此壓縮空氣需要經過中冷器組進行降溫后才能進入電堆內部參與反應[12]。有研究人員針對中冷器的散熱需求單獨設立了冷卻液回路[5]，但是這樣做會增加系統的復雜性。周蘇等[11]選擇將電堆冷卻液回路和中冷器冷卻液回路集成到一起，在熱管理系統中引入旁通閥來分配流入電堆和中冷器的冷卻液流量，具體結構如圖2所示，針對此結構也開展了部分研究工作[11,13]。俞林炯等[14]針對45 kW的PEMFC系統設計了熱管理子系統的結構并且建立了相關模型，通過仿真分析了不同操作條件對電堆溫度、冷卻液溫度和中冷器出口溫度的影響；周蘇等[15]將電堆冷卻液旁通閥開度作為控制器的執行器之一開發了系統的控制算法，在電堆的溫度控制問題上獲得了較好的控制效果。Zhou等[16]針對溫度控制過程中系統寄生功率的問題進行了研究，在考慮系統功耗的前提下提出了1種基于最優功耗的溫度控制算法，能夠降低系統的寄生功率。Xing等[4]在燃料電池混合電動汽車相關系統的建模與仿真工作中，建立PEMFC熱管理系統模型時也采用了相同的結構。

圖2 PEMFC熱管理系統結構[14]

在不同的單堆PEMFC熱管理子系統結構中，不考慮節溫器和中冷器的系統結構簡單，有利于系統建模和控制器的開發，但是其無法完全滿足PEMFC在冷啟動過程中的需求，限制了其在系統中的應用。增設節溫器但未考慮中冷器冷卻需求的系統能夠滿足相關的工況需求，但是其需要為中冷器額外增設水泵，使得系統較為復雜，不利于系統結構的集成化；將節溫器、中冷器都集中到1個熱管理系統結構中不需要額外增設水泵，有利于系統的集成化，但是由于系統集成度較高，對控制器的算法開發提出了更高的要求。

2.2 燃料電池混合系統

PEMFC的運作依賴于空氣壓縮機、加濕器、循環泵輔助部件的正常運作，這導致搭載PEMFC系統的車輛在極限惡劣工況時輸出功率無法滿足車輛的實時需求[17]。因此，車用PEMFC系統常與動力電池配合，在合理的能量管理策略下，動力電池能夠在車用工況過程中起到“削峰填谷”的作用，在彌補PEMFC功率不足的同時還可以進行多余的能量回收和為電子電器供電等功能。但是動力電池的引入也增加了系統的熱源數目，在進行熱管理系統設計時也需要保證動力電池的正常散熱需求。戴海峰等[18]對燃料電池插電式混合動力微型車所搭載的動力電池設計了熱管理系統，通過對動力電池的散熱需求計算指出微型車動力電池的產熱量較低，因此采用“風冷”方式對動力電池進行散熱；李忠等[19]對燃料電池混合軌道交通車輛所搭載的大功率動力電池進行了熱管理系統設計，采用液體冷卻回路對動力電池進行散熱，以“水+乙二醇”作為系統冷卻液，根據動力電池和PEMFC系統的復合運行工況驗證了系統設計的有效性。

在進行熱管理系統設計時也需要考慮動力系統中包括控制器、電動機和DC/DC等在內的部件散熱需求。盧熾華等[20]對整個PEMFC動力系統的熱管理系統進行了設計與建模，采用了各自獨立的回路結構對系統中多個熱源進行散熱，包括PEMFC電堆冷卻回路、動力電池冷卻回路、電驅動冷卻回路和空壓機冷卻回路，不同回路的結構如圖3所示，對不同的散熱回路進行了建模與仿真分析，驗證了各個冷卻回路的散熱能力。Rehlaender等[21]提出了1個集成的燃電混合動力系統的熱管理系統，將電驅動系統、PEMFC電堆、座艙和動力電池的冷卻回路按照不同的溫度需求集成為一體，較高溫度的驅動系統冷卻回路和較低溫度的動力電池冷卻回路分別通過熱交換器與PEMFC電堆冷卻回路和座艙冷卻回路耦合，系統結構如圖4所示，通過建模仿真的方法驗證了所設計的熱管理子系統能夠滿足散熱需求。針對提出的熱管理系統結構，Rehlaender等[22]設計了對應的控制策略，能夠對系統中不同熱源的溫度進行合理控制，合理利用不同回路之間的耦合關系。Zhao等[23]也提出了燃電混合動力系統的熱管理系統結構，單獨設計了動力電池冷卻回路、PEMFC電堆冷卻回路和電驅動系統冷卻回路，但是將3個冷卻回路分別與空調系統耦合，在一定的熱管理策略下能夠做到余熱利用。

圖3 動力系統熱管理結構[20]

圖4 集成熱管理系統結構[21]

2.3 多堆PEMFC系統

單堆PEMFC系統的功率可以滿足中小型乘用車的需求，但是不能滿足大型乘用車和商用車的需求[24]。多堆PEMFC系統具有更高的功率，并且能夠提高系統的容錯率，成為了PEMFC動力系統未來的發展方向。但是多堆PEMFC系統的熱源數量再次增多，因此其熱管理會變得更加困難。

多堆PEMFC系統的研究正處于起步階段，對其熱管理系統的研究工作也相對較少。多堆PEMFC系統的熱管理子系統需要兼顧不同電堆的散熱需求，Depature等[25]提出了多堆PEMFC系統的串聯和并聯2種熱管理系統結構，串聯式熱管理系統結構冷卻液依次流經3個電堆，使得冷卻液溫度會在3個電堆中不斷升高，需要協調整個回路上冷卻液的溫度，這給熱管理帶來了很大的困難，并聯式熱管理系統結構利用不同支路分配流經不同電堆的冷卻液，這樣只需要關注電堆進出口冷卻液溫度即可，便于系統熱管理方案的實施，2種結構如圖5所示，2種熱管理系統的結構都包含了大小循環。Wu等[26]提出了1個65 kW的雙電堆系統，其熱管理子系統應用了并聯式結構，利用水泵為2條支路提供冷卻液冷卻2個電堆，但是系統中只有1個回路，沒有考慮冷卻液的小循環。Zhou等[27]在對多堆PEMFC系統結構的綜述中提出了面向多堆PEMFC系統的并聯熱管理系統結構，并且引入旁通閥將中冷器冷卻回路集成到系統中，同時考慮了電堆的大小循環，以滿足不同電堆和中冷器的散熱需求，結構如圖6所示。

圖5 多堆燃料電池熱管理系統結構[25]

圖6 多堆PEMFC系統結構[27]

多堆PEMFC串聯式熱管理系統的主冷卻回路只有1個支路，因此結構較為簡單，系統也更加集成化，但是在單個支路上有多個電堆使得系統的溫度控制較為困難，尤其是當多個電堆的功率不同時，對于不同電堆的溫度控制甚至無法完成，所以其應用前景較為有限。多堆PEMFC并聯式熱管理系統的主冷卻回路存在多個支路，結構較為復雜，但是其能夠在多電堆相互耦合的情況下達到對不同電堆溫度單獨控制的目的，有助于系統控制器的開發，具有良好的應用前景。

多堆PEMFC的熱管理系統結構以單堆PEMFC熱管理系統結構為基礎。串聯式多堆PEMFC熱管理系統直接在單堆PEMFC熱管理系統的主冷卻回路上設置多個電堆。并聯式PEMFC熱管理系統在單堆PEMFC熱管理系統的主冷卻回路上增設支路來滿足多堆PEMFC熱管理系統的冷卻液要求。2種結構都使得原有系統更加復雜，在集成化和控制器的開發方面變得更加困難。因此多堆PEMFC熱管理系統的結構集成和控制器的開發也是未來重要的研究方向。

3 PEMFC系統的產熱

整個燃料電池系統主要的產熱源為燃料電池電堆和中冷器組。Xing等[28]研究了車用PEMFC系統的散熱需求，指出在整個PEMFC工作過程中，電堆的產熱量對熱管理系統提出的散熱需求占整個系統的99%以上，而中冷器組的散熱需求占比低于1%。所以針對于PEMFC系統的產熱分析主要聚焦于電堆產熱。

圖7描述了PEMFC的組成部分以及內部反應機理。質子交換膜（Proton Exchange Membrane，PEM）和兩側的催化層、氣體擴散層以及雙極板共同組成了1個PEMFC單體。氫氣在陽極發生氧化反應分離成為電子和質子，氧氣在陰極上發生還原反應并與質子和電子結合生成水，在化學反應的過程中伴隨著能量和熱量的釋放：

圖7 PEMFC組成結構

PEMFC電堆內部的熱量來源主要有電化學反應的熵熱、不可逆反應熱和電流產生的歐姆熱，它們大致占總放熱量的55%、35%和10%[29-31]。

PEMFC中的不可逆熱是由于化學反應中帶電粒子克服過電位所產生的，陰極氧氣的還原反應過電位較高使得不可逆熱主要在陰極產生[32]。2個電極上化學反應熵變的不平衡使得陰極的產熱量更大，不利于維持PEMFC內部溫度的均勻性[31]。不可逆熱是PEMFC中最大熱量來源，其對于電堆的溫度分布和整個系統的熱管理需求影響最大。

PEMFC在大功率運行工況下高電流密度所產生的歐姆熱占比較大。歐姆熱的產生與PEMFC內部各層的電阻和接觸電阻有關[33]，PEMFC的電阻由PEM的電阻所主導。隨著PEM制造工藝的提升，大大降低了PEM的電阻，因此其它部分的電阻和接觸電阻逐漸得到了關注[34]。圖8表示了PEMFC內部不同組分的面比電阻，圖8（a）展示了通過試驗測得的電堆內部不同部位的面電阻，包括石墨碳端板（Gr）、氣體擴散層（GDL）、雙極板（BPP）、微孔層（MPL）、質子交換膜（CCM）以及各部分之間的面比電阻；圖8（b）將圖8（a）中的面比電阻值按照不同類型進行了占比劃分；圖8（c）按照圖8（a）中各部分的電阻值外推出了一個單電池的面比電阻值；圖8（d）將圖8（c）中的面比電阻值按照不同類型進行了占比劃分。PEMFC各部分的電阻大小與很多因素相關，表1總結了PEMFC內部電阻的研究進展。對于PEMFC內部電阻的研究主要集中于雙極板和氣體擴散層。針對雙極板的電阻研究大多集中在材料特性和加工處理方面，針對氣體擴散層電阻的研究主要集中于操作條件對氣體擴散層電阻的影響。

表1 PEMFC內部電阻研究

圖8 PEMFC內部各組分面電阻[38]

4 PEMFC系統的傳熱

電堆內部熱量的傳遞影響其溫度分布的均勻性。電堆與冷卻液之間的熱量傳遞決定了冷卻液是否能夠及時地將電堆內部多余的熱量帶出系統。采取不同的方式改善系統的傳熱情況有助于保障系統各部件的正常和高效率運行。

4.1 電堆傳熱

熱量在PEMFC內部產生后，會在PEMFC內部各組件和外界環境之間傳遞。熱管理子系統也是利用傳熱來維持PEMFC的正常工作溫度以及內部溫度的均勻性，避免溫度過高使得PEMFC效率降低甚至造成局部“熱點”損壞PEM，也避免溫度過低影響正常的電化學反應[7,43]。電堆傳熱也可以分為電堆內部的熱量傳遞和電堆與外界的熱量傳遞2部分，內部的熱量傳遞指包含雙極板、氣體擴散層和膜電極在內的各組件之間的熱傳遞，而外部的熱量傳遞包含電堆與環境之間的對流傳熱、輻射傳熱以及雙極板和冷卻液之間的換熱。圖9顯示了PEMFC內部不同組分所包含的熱量傳輸。

圖9 PEMFC內部的熱量傳輸[44]

電堆內部的傳熱主要取決于各組件的熱阻以及不同組件之間的接觸熱阻，由于氣體擴散層是連接主要產熱組件（膜電極）和主要散熱組件（雙極板）的“橋梁”，其熱阻以及與其它組件之間接觸熱阻的大小對PEMFC內部的傳熱性能影響很大[44-45]。氣體擴散層中聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）的含量對其傳熱性能具有很大的影響，Burheim等[46]通過試驗驗證了在一定的壓力下PTFE的加入會降低干燥的氣體擴散層的導熱系數，PTFE的含量會隨著氣體擴散層的老化降低，使得導熱系數增大。除此之外，外部操作條件也會對氣體擴散層的導熱系數產生影響，Xu等[47]發現氣體擴散層隨著壓力的增大會具有更高的導熱系數，這是因為壓力降低了氣體擴散層的孔隙率，改善了其內部結構之間的接觸。PTFE含量和壓力的大小都會對氣體擴散層導熱系數產生影響，但是Burheim和Xu等都沒有研究它們之間的具體作用關系，而Chen等[48]通過試驗研究了不同壓力和不同PTFE含量下氣體擴散層導熱系數的變化，指出PTFE含量較高的氣體擴散層增大壓力會降低導熱系數，PTFE含量較低的氣體擴散層增大壓力會使得導熱系數升高。

不同組件之間的接觸熱阻會對電堆內部傳熱產生很大的影響[49]。Sadeghifar等[50]研究了包括氣體擴散層PTFE含量、壓力和雙極板表面不平度在內的不同因素對雙極板和氣體擴散層接觸熱阻的影響，PTFE含量和雙極板表面不平度的增加都會增大接觸熱阻，而壓力的增加則會降低接觸熱阻；Burheim等[51]研究了氣體擴散層與微孔層之間的接觸電阻，發現微孔層的導熱系數最低，氣體擴散層次之，2者的過渡區間具有最好的導熱性能。Sadeghifar等[52]建立了氣體擴散層和雙極板之間接觸熱阻的力學模型，利用建立的模型分析了不同的參數對接觸熱阻的影響，模型指出接觸熱阻隨著氣體擴散層孔隙率的增加而變大，在孔隙率超過89%時變化尤為顯著，氣體擴散層內部的纖維直徑與接觸熱阻大致呈線性關系，纖維直徑越大，接觸熱阻越大。

實際PEMFC內部的各組件熱阻分析是十分復雜的，因為熱阻分析只有在PEMFC正常工作的前提下才有意義。而當PEMFC正常工作時，其內部伴隨著非常復雜的化學和物理變化，類似于氫氣、氧氣、水蒸氣乃至于液態水在PEMFC內部的傳輸都會伴隨著熱量的流動。對于內部熱阻而言，氣體傳輸[53]、液態水含量[54-55]、溫度變化[48,55-56]和相關物質內部結構[57]諸多因素都會對其產生影響。

4.2 冷卻液傳熱

燃料電池的冷卻方式有空氣冷卻、液體冷卻和相變冷卻[58]。車用PEMFC功率較大，并且其安裝在空間比較狹小密閉的環境中，電堆與環境之間的對流換熱和輻射傳熱的占比很小，因此為了獲得良好的熱管理效能，一般采用液體冷卻的方式。液體冷卻電堆的熱平衡可由下式表示：

影響冷卻液傳熱的因素包括PEMFC電堆端、冷卻液本身以及散熱器端。冷卻液在PEMFC電堆端與雙極板直接接觸，因此冷卻液流道結構對其換熱具有很大的影響，結構簡單的流道便于加工，但是內部流體換熱能力差，復雜流道則相反[59]。Yu等[60]研究了不同的冷卻流道形狀（圖10）對冷卻效果的影響，通過仿真指出傳統的蛇形流道A的冷卻效果以及對溫度均勻性的控制最差，但是其流體進出口壓降較小，螺旋流道C的溫度均勻性最好，但是由于流道的復雜性使得其進出口壓降較大。Rahgoshay等[61]比較了蛇形流道和平行流道的冷卻性能，指出相對于更簡單的平行流道而言，蛇形流道具有更好的冷卻效果，并且采用蛇形流道也相應的提高了PEMFC的工作性能。為了改善PEMFC內部的溫度均勻性，有研究人員提出使用“之”字形新型流道，Afshari等[62]也比較了其與直流道之間的優劣性，指出“之”字形流道有助于增加散熱，但是同樣的也會增加進出口壓降。因此，在進行雙極板流道設計時應該兼顧流道形狀對溫度分布的均勻性以及進出口壓降的大小。

圖10 PEMFC不同冷卻流道形狀[60]

冷卻液本身的性質也會影響相關的換熱過程。常用的PEMFC冷卻液為去離子水或乙二醇和水的混合物[63]，后者屬于防凍冷卻劑，適用于低溫運行環境?？紤]到汽車上可用空間不足，選用熱容更大的冷卻液能夠降低散熱器的尺寸、改善PEMFC的熱管理性能，所以對新型高效冷卻劑的需求也日益明顯。

納米流體被人們認為是大功率PEMFC冷卻劑的良好選擇，懸浮的納米顆粒可以提高流體的比熱容從而提高了流體的傳熱能力。Zakaria等[64]為1個石墨冷卻板提供100 W的恒定加熱功率，將不同數量的AI2O3顆?；旌系剿鸵叶既芤褐型ㄟ^冷卻板中的狹小流道，以此模仿納米流體在PEMFC內部的流動，通過試驗指出w（AI2O3）=5%的納米流體在雷諾數為170的條件下散熱效能超出水和乙二醇溶液7.3%，但是AI2O3顆粒的引入使得流體的密度和黏度增大，使得輸送液體的泵耗能更高；Bargal等[65]通過試驗探究了納米流體對散熱器性能的影響，他們利用加熱器來控制流體進入散熱器的溫度，比較了不同濃度ZnO和AIN納米流體在不同流量下的換熱能力，指出納米粒子的添加能夠增強冷卻液的換熱能力，并且在同等條件下，ZnO作為納米粒子比AIN具有更好的換熱效果；Islam等[66]將導電性最低的ZnO納米流體應用到了2.4 kW的PEMFC上，研究發現ZnO納米流體的應用不會降低PEMFC的工作性能，并且能夠顯著降低PEMFC系統散熱器的尺寸，但是納米流體的壓降會隨著流量的增加而顯著增高，導致水泵功耗的增大。納米流體雖然是PEMFC冷卻劑的良好選擇，但是納米粒子的引入同樣會增加流體的導電性和黏度等物理特性，因此其在車用PEMFC上的大范圍應用還有待進一步探索。

5 熱管理控制

熱管理子系統的首要目標是保證PEMFC的工作溫度處于適宜的區間，滿足其正常的工作需求。因此熱管理子系統正常功能的發揮需要控制器的作用[67]，車用PEMFC多變的工況和較大的功率需求對控制器提出了更高的需求。控制器的設計需要滿足以下要求：良好的控制精度，保證維持PEMFC的溫度水平。較短的響應時間，能夠滿足汽車多變復雜的工況。一定的抗干擾能力，保證整個系統運行的穩定性。

控制精度、響應時間和抗干擾能力控制指標需要控制算法來保障，經典PID控制因其算法簡單和計算量低的特點得以廣泛應用。Riascos等[68]基于PEMFC內部溫度與濕度耦合原理，研究了在控制過程中溫度的最優控制問題并且給出了相關標準，基于PI控制成功將PEMFC的溫度維持在最優溫度，保證了PEMFC的工作性能。經典PID控制器應用于非線性較強的PEMFC熱管理子系統具有較大的限制，O'keefe等[69]針對PEMFC熱管理子系統開發了變參數PI控制器，確定了在一定電流拉載下對應的最優冷卻液流量，以25 A電流為界，提供了2套PI參數供控制器選擇以適應PEMFC在低電流工作區間內的非線性，指出變參數PI控制器能夠較好的控制PEMFC的溫度。PID控制算法較為簡單，并且計算量較小，能夠滿足控制器算法在系統運行過程中的實時性要求，因此應用較為廣泛。但是PID控制算法在多堆PEMFC中的應用具有較多的限制，這是由于系統結構復雜和系統的非線性造成的。

傳統的控制算法都是基于線性的系統模型或者需要精確的系統模型，而PEMFC系統內部機理復雜且使用工況多變，會產生模型不匹配和系統干擾問題。Li等[70]建立了16階精確的PEMFC非線性模型，模型能夠精確反映PEMFC的特性，針對所建立的模型設計了變結構控制方法，通過設計變結構控制的趨近率以改善其抖振現象，能夠在一定程度上解決系統擾動和模型不匹配問題。Hu等[71]針對所建立的模型設計了基于積分器的增量式模糊控制，利用模糊控制的特點來提升控制器的魯棒性，利用積分器來消除靜態誤差，通過仿真驗證了所設計控制器能夠快速準確地控制PEMFC的溫度，并且對于外界干擾具有一定的抵抗能力。謝雨岑等[72]利用伸縮因子調節模糊論域的范圍，設計了變論域模糊增量式控制器，通過仿真驗證指出變論域模糊增量式控制器具有更快的響應速度，并且控制精度也明顯提高；Li等[73]將系統的電流擾動以及不確定性擾動統一歸結成為“總擾動”，利用擴展狀態觀測器估計系統的“總擾動”，引入了變結構控制中的開關控制率，利用抗擾控制有效地降低了PEMFC系統的內部擾動和外部擾動，并且開關控制律的引入加速了系統的輸出響應?？紤]模型非線性和系統干擾的控制算法能夠較好地處理在PEMFC運行過程中部分控制效果不好的情況，提高相關系統的穩定性與魯棒性，但是針對于模型失配程度較大或者產生重大故障情況下的控制器設計還需進行相關的深入研究。

PEMFC系統運行過程中各部件的操作條件有約束。模型預測算法能夠處理具有約束條件的系統控制問題，陳飛等[74]設計了基于PEMFC熱管理模型的模型預測控制器，指出模型預測控制器相較于PID控制器而言更有助于降低系統的能耗，并且具有更快的反應時間。Rojas等[75]建立了PEMFC熱管理子系統的非線性模型，將模型線性化后作為控制器模型，在狀態觀測器中引入積分器以保證控制器中模型的無偏特性，通過仿真指出所設計的模型預測控制器能夠有效地解決PEMFC的溫度控制問題，并且對于模型失配和系統干擾具有一定的抵抗能力。模型預測控制算法需要在線求解1個開環優化問題，常用的求解方法容易陷入局部最優解而非全局最優解，Fan等[76]在求解優化問題的過程中應用了遺傳算法，并且在建立預測模型的過程中采用模糊邏輯來擬合PEMFC的特性，通過試驗驗證了所建立的控制器能夠在較短時間內逼近目標值，具有一定的魯棒性。在模型預測控制的建立過程中，PEMFC的電力輸出通常被作為系統的可測擾動，因而便丟失了一部分有效信息，Li等[77]將系統的電力波動作為系統的前饋引入到控制系統中，提高了模型預測控制算法的優化效率，通過仿真得到了良好的結果后進行了試驗驗證。模型預測控制對于處理在約束條件下的系統控制問題具有良好的優越性，適用于多堆PEMFC的溫度控制，并且具有良好的溫度控制效果。但是模型預測控制算法的求解復雜，需要占用較多的計算資源，如何提高算法的實時性是未來對于模型預測控制的研究方向。

在控制熱管理子系統的過程中，需要降低執行器的能耗，有助于降低系統的寄生功率。Zhou等[16]在對PEMFC熱管理系統設計控制算法時，基于穩態控制與反饋控制結合的控制算法，通過調節控制參數來優化系統功率消耗，在保證較好控制效果的同時降低了系統的功耗。Yu等[78]研究了在大功率PEMFC系統熱管理問題中提高溫度分布的均勻性與降低泵寄生功率之間的權衡問題，指出控制風扇轉速能夠有效地控制電堆溫度，在保證風扇效能的同時降低泵的功耗有利于降低系統的寄生功率。但是Yu的研究沒有考慮到風扇功耗的影響，Han等[79]選擇熱管理子系統中的風扇、水泵和旁通閥作為執行器對電堆溫度進行控制，通過仿真指出風扇的轉速對寄生功率的影響比水泵轉速對寄生功率的影響大，在對水泵轉速采用良好控制策略的同時要盡可能的降低風扇的耗能。Saygili等[80]對PEMFC系統的熱管理控制設計了3種控制策略，也考慮到了在溫度控制過程中的寄生功率問題，通過仿真對比也得出了類似的結論。

近年來，人工智能技術在PEMFC控制中也得到了相關的應用，趙洪波等[81]針對PEMFC熱管理子系統設計了基于神經網絡的自抗擾控制器，用神經網絡模型代替非線性誤差反饋控制律，通過仿真驗證控制器的效能，神經網絡自抗擾控制器在不同程度噪聲的干擾下都具有較好的控制品質。Rezaei等[82]在開發模型預測控制器的過程中利用神經網絡能夠非線性逼近不同函數的特點，將預測模型用神經網絡模型代替，在有噪聲干擾的情況下進行了仿真驗證，指出所設計的神經網絡預測模型能夠較好的預測系統的動態，并且控制器在噪聲干擾下具有較好的控制效果。

6 熱管理研究方法

6.1 建模仿真

PEMFC電堆的模型按照不同的建模維度可分為零維、一維、二維和三維模型[83]。圖11顯示了PEMFC建模時的不同維度分布。

圖11 PEMFC建模維度信息[83]

零維模型一般不考慮PEMFC中參數在空間維度上的變化，僅考慮系統的輸入輸出，因此模型較為簡單。零維模型在仿真過程中計算速度較快，并且能夠在一定程度上較好地反映PEMFC的運行特性，在控制器的開發和熱管理子系統部件的匹配選型方面得到了非常廣泛的應用。

一維模型考慮了PEMFC電堆在Y方向上的各項參數變化，例如PEMFC內部雙極板、氣體擴散層、催化層和PEM的各項特性以及在Y方向上的傳質和傳熱。在PEMFC熱管理中，一維模型可以研究電堆在Y方向上的溫度分布狀況[84]，反應不同單電池之間的差異。

二維模型在一維模型的基礎上，考慮到了電堆中沿Z或X方向上的參數差異。二維模型有助于研究電堆內部流體在流動過程中的溫度變化、沿程壓力損失、傳熱傳質和濃度變化問題。

三維模型是PEMFC最精確的模型之一，它能夠全方位、多尺度地表述PEMFC的各項傳熱傳質與內部化學反應。PEMFC的三維模型在計算求解的過程中耗時很長，在研究過程中通常保留對研究內容影響最大的部分而對模型做出相應的簡化。表2整理了一些典型的PEMFC建模仿真研究。

表2 PEMFC建模仿真研究

6.2 試驗研究

試驗手段一方面可以真實地分析系統參數對PEMFC的影響特性，另一方面可以作為建模與控制的驗證手段。柏興應等[94]通過試驗研究了相變冷卻技術在PEMFC系統中的應用，將均溫板集成到1個含有5片單電池的電堆中，通過改變其電流拉載工況，研究電堆的溫度分布與輸出性能，得出均溫板能夠很好地保證電堆的正常散熱和正常功率輸出，并且在均溫板的作用下電堆的溫度均勻性良好。Zhao等[95]通過改變實際系統的冷卻液溫度得到在不同進出口溫差以及不同電流負載下的系統特性輸出，利用試驗數據驗證所建立模型的準確性，為模型的建立提供了實際數據保障。Mohamed等[96]針對小型PEMFC產熱量較低的特點，提出升高電堆入口處冷卻液溫度的熱管理策略以降低熱管理子系統的寄生功率，通過試驗分析了提高電堆入口冷卻液溫度后動態工況對電堆性能的影響，并控制入堆冷卻液溫度到達50℃后再開啟散熱風扇，結果指出此策略能夠維持電堆的正常工作溫度，但是由于溫差的減小使得冷卻速度下降。

PEMFC系統中電堆包含多片單電池，所以在電堆的不同部位會產生不同的溫度分布。實時測量方法能夠直接得到PEMFC內部的溫度分布。不同的測量方法和相關的傳感器也先后在PEMFC內部溫度分布的測量中得以應用：如熱電偶[97-98]、微電機系統傳感器[99-100]、紅外熱成像[101]、光纖傳感器[102-103]等。開發新型傳感器以及采用適當的測量方法監控單片電池和電堆中的溫度分布[104-105]對PEMFC的熱管理具有重要意義。

PEMFC熱管理子系統的試驗能夠驗證研究工作的準確性和適用性，在不同的研究階段要根據實際情況合理權衡仿真研究與試驗驗證之間的結合。以控制器的開發為例，基于模型所設計的控制器取得較好的控制效果后在實際系統上進行檢驗，一方面可以驗證整個研究過程的合理性，另一方面也可以驗證所設計控制器的適用性[77]。在試驗驗證之前還需要對系統測試需求進行總結與分析，以保證試驗的完備性與有效性[106]。

7 結束語

對PEMFC熱管理方面的研究有助于提升熱管理效能，為PEMFC的正常工作提供合適高效的環境。本文通過對車用PEMFC熱管理系統的綜述，總結如下：

在熱管理系統結構設計方面，單堆和多堆PEMFC都會與動力電池結合作為整車動力源，整個系統熱源數目較多，需要兼顧不同熱源的散熱需求設計合理的系統結構，在保證散熱需求的同時盡量精簡系統結構，合理利用系統的耦合關系，提高熱管理效能。

在PEMFC系統的產熱與傳熱方面，電堆是整個系統的主要產熱來源，降低電堆內部的電阻有助于減少產熱，降低電堆內部的熱阻有助于其內部溫度的均勻分布。納米粒子的引入有助于冷卻液及時將電堆內部的多余熱量帶出系統。

在PEMFC熱管理控制方面，采用合理的控制策略有助于提升整個系統的熱管理性能。通過引入人工智能方法來提升控制器的控制效果。在應用控制策略時要結合控制效果與執行器的寄生功率，保證在控制效果滿足要求的前提下盡量降低系統的寄生功率。

在PEMFC熱管理的研究方法方面，建模仿真與實驗驗證為主要研究手段，并且要根據研究進度合理地選擇研究方法。在開發的最后階段，應該在實際系統上采用試驗的方式驗證最后的結果，保證研究結果的準確性和普適性。

針對車用PEMFC系統的熱管理問題，提出未來可能的研究方向：

（1）系統集成化

面向高功率應用場景的多堆PEMFC系統的市場需求會逐漸增大，針對其高功率和多熱源的特性配備集成化的熱管理系統是必要的，在系統設計時需要考慮其在車輛上布置時的空間限制問題，因此在系統集成和相關零部件匹配等方面需要做出相關研究。

（2）余熱利用

多熱源、高功率的系統意味著產熱量的增加，因此在系統集成時將余熱利用作為優化條件之一有助于為系統集成提供相關的評價標準，對應的評價指標為系統整體的能量效率。

（3）高性能冷卻液

更大的散熱需求會導致熱管理系統相關部件的尺寸增大從而提高了其安裝難度，開發類似于納米冷卻液的高性能冷卻液能夠增強冷卻液與電堆之間的換熱性能，有助于減小系統部件的尺寸。

（4）多熱源協同控制

熱源數目的增多使得系統結構更加復雜，產生了更多的系統約束。面向于多熱源復雜系統的控制仍是研究的難點之一，有必要考慮復雜系統的不同運行狀態，制定相應的控制策略，達到多熱源之間的協同溫度控制。