質子交換膜燃料電池（PEMFC）用於交通運輸領域，具有高效、清潔和零溫室氣體排放等優點，除此之外，它還具有功率密度高、啟動時間快、效率高、操作溫度低（60～80℃）、操作簡單、安全可靠等優點［1］。溫度控制是燃料電池商業化面臨的主要挑戰之一。本文作者對熱量產生和能量平衡進行歸納，在此基礎上，從冷卻方法和熱管理控制策略兩方面進行綜述，其中目前國內外熱管理控制策略包括傳統比例-積分-微分控制、預測控制、自適應控制和模糊控制等，最後對未來所面臨的挑戰作出展望。
1 PEMFC熱量的產生和能量平衡
1。1 熱量的產生
燃料電池熱量來源於反應的熵熱、電化學反應的不可逆熱、歐姆電阻的熱以及水蒸氣的冷凝產生的熱量等［2］。其中80%的熱量取決於熵熱與反應熱，對這部分熱的有效去除成為了冷卻的重點［3］。溫度過高會使質子交換膜脫水，並中斷質子傳導與導電，導致陰極催化劑含水量降低，甚至會引起不可逆轉的結果；同時其溫度還具有不均勻性，它會降低PEMFC的穩定性和耐久性［4］。因此，對PEMFC進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方法。一般情況下，認為燃料電池堆反應的化學能轉換為電能與熱功率：
如果產生的水以液態形式流出電池堆，則燃料電池堆內產生的熱量為：
式（1）－（2）中：F為法拉第常數；HNHV為氫的高熱值；Qgen為電池堆產生的熱功率；ncell為電池堆中單體電池的片數；I為電池堆電流；Ucell為電池堆電壓。
在燃料電池的實際應用過程中，液體冷卻是最主要的散熱方式。當產生的水以液態流出電堆時，若不能及時排出會造成電極積水，覆蓋催化層，降低催化層活性和電壓，從而影響電池的效能。為此，需要控制輸入的電壓、電流，調節電池堆工作溫度，保證水淹問題得到解決，維持燃料電池的穩定執行。
2 燃料電池堆的冷卻方法
PEMFC堆的能量轉換效率在50%左右，且熱量主要來源於反應的熵熱和電化學反應的不可逆熱。為保證燃料電池在適宜的溫度下工作，須採用冷卻方法消除熱量。
2。1 液體冷卻劑冷卻
對於高功率（＞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移能力、低流速等優點［5］。液體冷卻劑可以是去離子水或者水和乙二醇的混合物，也可以是含有奈米顆粒的奈米流體［6］。X。Q。Zhao等［7］以電化學反應和熱力學控制為依據，建立水冷系統模型，同時建立此模型實驗系統，設定3種不同操作條件：降低冷卻劑進口溫度；增加進出口之間的冷卻劑溫度差異；增加輸出電流。模擬結果與實驗資料的比較表明：在同樣的控制引數下，該模型資料與實驗資料基本吻合。I。Zakaria等［8］研究了聚合物電解質膜燃料電池單冷卻板中奈米流體冷卻劑的應用，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。實驗結果表明：與基礎流體相比，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%；但是壓力會隨之降低，壓降分別達到17%和20%。利用優勢比，分析傳熱能力和壓力損失，結果表明：在體積比6∶4水與乙二醇混合物中，0。1%濃度的Al2O3是最好的奈米流體冷卻劑材料，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
相變冷卻是透過汽化的焓來消除燃料電池中的廢熱，在汽車冷卻系統的應用可分為熱管冷卻和蒸發冷卻［9］。
熱管冷卻是將熱管嵌入雙極板，在無外部動力輸入的情況下，熱管將大量的熱量透過截面積進行遠距離傳輸散熱。B。Suman等［10］建立一種多邊形微熱管的流體流動和傳熱分析模型，分析流體流動、熱量和質量轉移的耦合非線性方程，與以前研究相比較，此熱管模型適用於燃料電池冷卻。M。V。Oro等［11］提出一種扁平熱管，結果表明：此熱管包括兩個微凹槽，一個密封的套管，一個毛細血管泵，對熱管進行試驗，發現該種熱管可達到PEMFC散熱的要求和執行溫度。J。Clement等［12］對採用甲醇作為工作流體的冷卻系統，用脈動熱管進行效能試驗研究，發現其具備自動調節和維持溫度小範圍變化的能力。
蒸發冷卻是在流動通道中引入液態水，透過水蒸發時的相變，帶走燃料電池中的廢熱。A。Fly等［13］將液體水注入蒸發冷卻系統的陰極流動通道中，透過模擬結果驗證了蒸發式冷卻系統溫度調節能力。結果顯示：在正常電流範圍內，電池堆溫度變化小於2。0℃，如果採用比例積分控制壓力，可進一步將溫度變化範圍縮小到1。0～1。2℃。S。H。Hwang等［14］建立PEMFC的陰極加溼和蒸發冷卻系統，採用陰極加溼，提高堆的效能，並透過蒸發冷卻，降低冷卻劑溫度，達到冷卻的目的。
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，透過冷卻板或是陰極傳遞空氣，從而帶走燃料電池產生的廢熱。E。Afshari等［15］利用三維模型模擬冷卻板的金屬泡沫流動和傳熱過程，對4種不同的冷卻劑流場設計進行數值研究，結果表明：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效能。此外，由於具有高滲透係數，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化的可能性，與水冷燃料電池冷卻系統相比，結果表明：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。當應用泡沫層在石墨板上創造了均勻的溫度分佈時，則需要考慮燃料電池系統的冷卻劑溫度差異。B。Boyd等［17］對空氣冷卻金屬泡沫熱交換器的三維數值模擬進行研究，發現該熱交換器可使加熱板的溫度均勻分佈，從而減少設計和製造的複雜性。
透過對上述質子交換膜燃料電池冷卻方法的概述發現，與傳統內燃機相比，PEMFC具有更高的效率，也意味著PEMFC應用於車輛時，排放到冷卻系統的熱量更多，要求選取更合適的冷卻方法。空氣冷卻只需將環境中的空氣透過電池陰極或是電池之間附加冷卻板，需要最小的平衡裝置，冷卻系統的結構也相對簡單。空氣冷卻主要應用於額定功率小於5 kW的燃料電池；當功率更大時，散熱要求將變得更高，實際應用過程中可能無法滿足燃料電池的散熱需求。因此，空氣冷卻適用於小型燃料電池堆的散熱。
與空氣冷卻相比，液體冷卻適用於額定功率大於5 kW的燃料電池。傳統的液體冷卻採用水或水和乙二醇的混合物作為冷卻劑。為了進一步提升其冷卻效能，目前許多學者致力於研究奈米流體冷卻劑來提高傳熱強度，研究結果表明：奈米流體冷卻劑能進一步提高燃料電池散熱能力。目前奈米流體冷卻劑的製備、儲存和冷卻過程的壓降還存在一些問題，還有待解決。蒸發冷卻是把液態水注入燃料電池的陰極流動通道進行蒸發。對比於其他冷卻方法，蒸發冷卻可以在散熱的同時對電池進行加溼，最後還可以將蒸發的水收集到水箱以備使用，而且蒸發冷卻不需要外部加溼器或在電池堆內單獨加冷卻板。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冷卻。
3 熱管理控制策略
PEMFC是一種低溫燃料電池，可應用於汽車、發電機和潛水艇等方面。在燃料電池中，電池堆溫度是一個重要的效能引數［18］，升高的溫度會增加水的活性，增強電化學活動，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，導致電池堆效能降低［19］；而低溫可能會導致水的凝結和電極產生電壓損失［20］。由於排氣溫度只能在70℃左右，大約有95%的熱量需要透過冷卻方法帶走，因此，燃料電池的散熱量相對較高［21］，且其理想的執行溫度大約在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鍵。目前，人們對燃料電池進行模擬或者透過實驗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PID控制
比例-積分-微分（PID）控制器是一個在工業控制應用中常見的反饋迴路部件，由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。Y。Saygili等［23］建立一種基於能量平衡的綜合冷卻系統，電流作為擾動，利用一個開/關控制器來最小化風扇的使用，同時透過反饋PI控制器來保持泵的電壓作為一個連續操作的變數，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向的液體冷卻PEM燃料電池系統的動態模型，分析在叉車的快速負荷變化過程中電池堆的溫度變化。在動態條件下，對壓縮機、加溼器和冷卻系統整合的溫度、電池極化和水化模型進行模擬，根據電流進行控制，實現了PEMFC堆溫度的反饋PID控制。
傳統的PID控制具有使用靈活、結構簡單、應用範圍廣和引數較易整定等優點。目前，傳統PID控制廣泛用於PEMFC溫度控制，也是工業生產中最常用的控制方式之一，但具有響應速度慢、調節時間長等缺點。
3。2 預測控制
預測控制對數學模型的要求不高，但具有良好的跟蹤效能和較強的抗干擾能力，因此該方法具有較強的魯棒性。張培昌等［25］根據熱傳遞機理，建立溫度Simulink模型，基於此溫度模型設計模型預測控制（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，電堆電流作為系統擾動輸入，以此達到燃料電池溫度控制的目的。模擬結果表明：在負載擾動狀態下執行，MPC控制能快速達到穩定狀態，且能抑制電流擾動對輸出精度的影響，具有較強的魯棒性，保證PEMFC溫度在適宜的範圍執行。與PID控制比較，普通預測控制達到穩定時間較短，但振幅和震盪次數較多；包含前饋環節的預測控制穩定時間最短，震盪次數也最少；然而PID控制的震盪次數和穩定時間都較長，但超調量較小。N。Chatrattanawet等［26］將模型預測控制和基於線性時變模型的離線魯棒模型預測控制（MPC）應用於PEMFC的控制中。與其他預測控制不同，此控制系統將相對增益陣列（RGA）作為控制性指標應用於系統中，透過MATLAB模擬，分析了PEMFC的效能，進行了控制結構和控制器的設計，結果表明：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，對電池溫度起著調節作用。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定值。
燃料電池作為一個具有很強的非線性、多輸入、多輸出的耦合系統，依據工作原理可知，傳統的控制演算法很難使系統在短時間內達到穩定。模型預測控制（MPC）穩定時間較短，振盪次數少於PID控制，具有較強的魯棒性，在PEMFC控制系統中，能夠很好地處理設計迴路時的約束，能夠抑制電流擾動對輸出精度的影響，對實現PEMFC在負載擾動狀態下穩定執行有一定指導意義。但是，實際應用中選擇最最佳化MPC演算法的時候，需要較長的線上計算時間。
3。3 自適應控制
自適應控制是能修正自己的特性來適應物件和擾動的動態特性變化的控制方法。自適應逆控制是用自適應濾波方法辨識出被控物件的逆模型，串聯到物件的輸入端作為控制器，來控制物件動態特性的自適應控制方法，其優點在於能將系統動態效能達到最優，同時將物件擾動的影響降到最小。J。Han等［27］設計了模型參考自適應反饋控制器，在PEMFC中引數變化情況下，控制電堆和冷卻劑入口溫度，保持負載恆定，分別改變電流密度和環境溫度，透過與一個名義反饋控制器作比較，對所提出的控制器進行評估。模型參考自適應控制與名義反饋控制演算法相比，在系統引數變化的情況下，具有較快的恢復速度和較低的偏差，解決了名義反饋控制具有的侷限性。尹良震等［28］提出對於PEMFC發電系統採用自適應逆控制的實時最優溫度控制策略，將電壓作為控制訊號，輸入範圍是0～12 V，並透過實驗驗證其工作溫度對系統輸出效能的影響。相對於傳統PID控制方法而言，自適應逆控制能將PEMFC溫度控制在理想溫度範圍內，有效降低系統的超調量，減小輸出電壓波動，負載變化過程中抑制超調作用顯著，短時間內實現最優溫度的實時跟蹤控制，同時操作條件簡單，易於實現。
在自適應控制的基礎上，自適應逆控制可以自動跟蹤燃料電池的動態變化，針對引數時變的PEMFC系統實現電池溫度的最最佳化控制。透過簡單四則運算，解決了PEMFC系統的控制問題，不需要進行復雜的非線性建模和引數識別，計算量小，易於硬體實現。與PID控制相比，自適應逆控制調節時間縮短，電壓波動小，有利於燃料電池穩定執行，實現不同負載條件下溫度的最優控制，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慧控制，利用人的知識對控制物件進行控制的一種方法，具有響應速度快、抗干擾能力強，對系統引數的變化有較強的魯棒性和較好的容錯性等優勢，尤其適用於非線性、時變、滯後系統的控制。K。Ou等［29］開發多輸入、多輸出（MIMO）模糊控制器實時控制一個非線性動態燃料電池系統，依據模糊控制策略，對軸向風扇轉速和溼度變化的氣泡加溼器的電磁閥開/關進行控制，根據電流的輸入、溫度誤差的導數及導數控制溫度。實驗結果表明：在控制燃料電池溫度的過程中，此方法不僅反應速度快，而且只有輕微的波動，可提高燃料電池的輸出功率。田玉冬等［30］利用多變數模糊理論和模糊邏輯控制對PEMFC溫度進行控制，保證燃料電池在60～80℃執行，建立溫度模糊控制系統，解決PEMFC控制引數不易確定、滯後性等問題。溫度模糊控制魯棒性較強，能夠節約能源，改善控制質量，尤其適用於具有非線性、滯後性、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的靜態誤差，分析PEMFC內部熱動態特性，建立動態溫度模型，並基於模糊控制，設計了帶積分環節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，實時調節冷卻水流量，階躍負載作為測試訊號。模擬結果表明：此溫度控制方法能實時控制電堆溫度在合理工作範圍內，消除系統靜態誤差，魯棒性強，且能將外部負載變化的擾動降到最低。
對於PEMFC這個多輸入、多輸出的非線性系統，透過控制冷卻水流量、風扇轉速等引數來調節溫度時，模糊溫度控制策略不需要準確的數學模型，因此模糊控制能更好的實現溫度控制。與PID控制相比，模糊控制響應速度快，抗干擾能力強，魯棒性強，具有更好的溫度調節能力，但易產生靜態誤差，併入積分環節可消除靜態誤差。
3。5 協同控制
S。L。Cheng等［32］建立冷卻系統模型，由一個堆疊、一個水箱和一個散熱器連線到一個冷卻風扇上組成，並加入基於模型的控制器。該控制器由非線性反饋和線性二次型調節器（LQR）狀態反饋組成，風扇轉速和環境溫度作為輸入，電堆出口水溫作為輸出。收集資料顯示：此控制策略可以保持堆疊溫度變化範圍在±0。5℃。F。C。Wang等［33］提出 PEMFC系統的魯棒PID控制，將PEMFC模型作為一個多變數系統進行建模，應用識別技術來獲得系統的s傳遞函式矩陣，魯棒控制可克服系統的不確定性和擾動，結合魯棒控制和PID控制的優點，可以提高燃料的電池效能。
透過以上控制策略，可以發現不同的控制策略相結合可更好的控制PEMFC的溫度，控制策略之間彼此結合，可克服自身的缺點，將各自的優點充分發揮，更精確的控制電池溫度。
3。6 其他控制
J。Han等［34］應用一種狀態反饋控制演算法控制多輸入和多輸出系統，此控制演算法使用狀態空間方法設計，透過控制散熱器風扇和旁通閥對4種不同的控制策略進行比較，來達到減小燃料電池寄生功率的效果。S。Yu等［35］開發一種PEMFC的熱模型和熱管理系統，設定了熱管理的標準，並提出了最小冷卻寄生損失熱管理策略。透過建立水傳輸模型、凝聚結構的電化學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反應，並捕捉熱管理對效能的影響。透過調節散熱器冷卻風扇和控制冷卻劑泵流量，可以有效控制燃料電池執行溫度，冷卻系統具有最小的冷卻寄生損失。J。J。Hwang等［36］在不同的外部負載下，使用熱控制單元和智慧演算法將燃料電池溫度控制在工作範圍內，該系統協調散熱器風扇和對流風扇的活動，以及恆溫器的開啟度來控制電堆冷卻劑進口溫度。結果表明，系統的效率得到提高，在負載達到80%時，效率增加至46%。
4 結論
雖然燃料電池熱管理控制策略已經得到相應的應用，但要實現商業化的普及與應用，仍然有許多困難。基於目前的研究現狀，可得出以下幾點結論：
反應的熵熱和電化學反應的不可逆熱是PEMFC熱量的主要來源，傳統的冷卻方法雖能滿足溫度控制要求，但在穩定性、響應速度等方面還需採取控制策略來解決；
雖然PID控制能實現溫度控制，但傳統的PID溫度控制方法還存在一些問題，如抗干擾能力差、響應速度慢等；
PEMFC是多輸入、多輸出系統，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缺點，不能實現燃料電池多方面的控制。
在以後的研究中，可以透過多種控制策略協作，控制燃料電池的溫度，達到提高燃料電池的效能的效果。
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