質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種將化學能轉化為電能的裝置，具有運行溫度低、功率密度高、低溫啟動快、能量轉換效率高和零污染等優點，是很有可能取代內燃機的一種新型汽車動力源。
PEMFC中電化學反應氣體的溫度會影響材料的特性、反應速度等，溫度過高或過低都會影響燃料電池系統性能。因此，水熱管理是PEMFC系統不可缺少的子系統，而中冷器是其中重要的部件。
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目前在國內外文獻中鮮有單獨針對PEMFC系統中冷器的研究，只有Takamasa等人從中冷器結構特點出發介紹和比較了各種不同類型中冷器和作用。其它設計燃料電池系統中冷器建模的文件，對具體模型的描述較為簡單，往往忽略其動態特性，也少有針對性的仿真分析。
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為研究中冷器在PEMFC系統中的作用，本文針對某款實際PEMFC系統中冷器建立了機理模型，利用實驗數據對模型進行了驗證，并對中冷器冷卻效果主要影響因素進行了仿真分析。
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一、中冷器的作用和分類
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典型的PEMFC系統結構如圖11所示。空氣經過空壓機壓縮后，其溫度迅速升高，最高可以達到150℃以上，PEMFC屬低溫燃料電池，工作溫度在80℃左右。高溫空氣直接進入電堆，不但會導致電堆性能下降，還有可能損壞質子交換膜。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。
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經過中冷器的高溫空氣其溫度明顯下降，但壓力下降較小，因此，經過中冷器后的空氣相對濕度也會有所提高。尤其是在高壓系統中，在同樣溫度下相對濕度會更高。所以，中冷器主要有降低空氣溫度和提高相對濕度兩個作用。
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圖1 燃料電池系統組成
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中冷器根據換熱操作過程不同可分為簡壁式、混合式及蓄熱式三大類。間壁式中冷器是工程實際中應用最廣泛的一種，可以細分為套管式、管殼式、交叉流式、板式和螺旋板式。文獻[4,5]對管殼式和板式兩種類型中冷器的質量、體積、壓降等進行了詳細的介紹和比較。燃料電池系統大多使用間壁式中冷器。按冷卻介質不同，間壁式中冷器可分為水冷和風冷兩大類，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 風冷式和水冷式中冷器特點比較
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
根據傳熱學原理，針對某款具體的水冷逆流式中冷器（見圖2）建立了機理模型。中冷器入口空氣的溫度Tairin可由空壓機模型求得；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
根據傳熱學原理，中冷器的傳熱方程可表示為：
從熱流或冷流角度單獨考慮，其熱功率變化可以表示為：
i代表熱流或冷流。
根據中冷器的散熱原理，冷熱介質的熱量變化由冷熱介質間的熱傳導（即（1）和介質本身的熱功率變化（即式（2）））兩部分組成。
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模型假設：（1）中冷器的熱交換僅限于冷卻液和熱空氣之間進行；（2）為了便于計算，冷卻液和熱空氣的平均溫差用出口溫差來表示。
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從而得到關于中冷器出口空氣溫度的動態方程。在式（6）、（7）中，式子左邊的τair和τcoolant兩個參數影響溫度變化的動態過程，而不影響溫度的穩態值。
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2、相對濕度
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經過中冷器后空氣相對濕度的變化量為：
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三、模型驗證與仿真分析
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1、模型驗證
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本模型是針對某實際的45kW質子交換膜燃料電池系統的中冷器建立的，利用該中冷器（如圖3所示）在標準狀態下進行了實驗，將仿真結果與實驗數據進行比較，驗證結果如圖4、5所示。
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圖3 中冷器實物圖
圖4 出口空氣溫度結果比較
圖5 出口冷卻液溫度結果比較
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，和實驗結果之間的偏差非常小，這是因為冷卻液的比熱容較大，且流量遠比空氣流量大，當空氣流量變化時，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，模型誤差在合理范圍內。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）動態響應分析
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本文建立的中冷器模型為動態模型，故可進行動態響應分析。根據實際運行的負載工況電流，可得到中冷器的動態響應曲線，如圖6所示、從圖中可以看出，當空氣流量發生階躍變化時，空氣溫度的響應時間在170秒左右，冷卻液溫度的響應時間在200秒左右，與實際中冷器的溫度響應過程一致。
圖6 中冷器動態響應曲線
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（2）冷卻效果影響因素分析
根據實驗數據和仿真結果可知，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影響因素進行了仿真分析，仿真結果如圖7-10所示，各圖的仿真參數設置如表2所示。
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表2 影響因素仿真參數表
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圖7 空氣流量對出口空氣溫度的影響
圖8 冷卻液流量對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出口溫度的影響，當冷卻液流量增大時，出口空氣溫度有所下降，但當流量超過0.6kg/s時，其對出口空氣溫度的影響較小，即調節冷卻液流量的方式只有在一定流量范圍內有較好的作用。在這個范圍內，入口空氣溫度越高，流量越大，調節效果越明顯。這是因為當流量超過一定程度時，由于受到2換熱能力的限制，中冷器出入口溫差變化不大，此時冷卻水流量的變化對中冷器換熱量的影響很小。該仿真結果與文獻[12]的結果一致。
圖9顯示的是入口空氣溫度對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出口空氣溫度的影響較大。
圖9 中冷器入口空氣溫度對出口空氣溫度的影響
圖10 中冷器入口冷卻液溫度對出口空氣溫度的影響
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四、結論
中冷器是PEMFC系統的一個重要部件，本文根據傳熱學原理，針對某款實際水冷逆流式中冷器建立了機理模型，仿真結果和實驗數據的對比結果表明，本文建立的模型能夠較準確地反映中冷器的工作原理，可以用于完善PEMFC系統建模和仿真。基于中冷器模型，本文還對中冷器主要冷卻效果的影響因素進行了仿真分析，仿真結果表明，中冷器入口的空氣溫度和流量對出口空氣溫度影響較大；在一定范圍內，調節冷卻液流量能夠有效調節出口空氣溫度。仿真分析結果對制定燃料電池系統水熱管理控制策略具有一定的指導作用。
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來源|《系統仿真學報》，作者:周蘇，俞林炯，高昆鵬，章桐??
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原文始發于微信公眾號（艾邦氫科技網）：質子交換膜燃料電池系統中冷器建模與仿真
