【车用燃料电池发展探究文献综述5800字】

车用燃料电池发展研究国内外文献综述目录TOC\o"1-2"\h\u11798车用燃料电池发展研究国内外文献综述 183421.2国内外车用燃料电池及现状 159051.3燃料电池热管理系统概述 327161.4燃料电池热管理系统的研究现状和趋势 4102921.4.1燃料电池热管理系统的研究方向 4120861.4.2燃料电池热管理系统的研究现状 6249601.4.3燃料电池热管理系统的研究意义 71561.4.4客车燃料电池热管理系统的趋势 71.2国内外车用燃料电池及现状当前，汽车工业的发展受多项因素的影响，面临着能源危机、环保要求、社会科学等的压力，对其长期发展存在不利性、局限性。对传统车辆而言，动力燃料主要是石油的分解提炼，通过发动机进行动力输出。伴随着石油能源的发现和过度开采，全球的石油量在不久的将来会逐步减少，甚至枯竭。另外，过多的燃油燃烧，对环境造成的污染尤其严重，甚至影响居住环境和人类的生存。综合以上问题考虑，全世界不同国家都出台积极政策，采取相应的有利措施，鼓励和推动车企及研究中心开发新的能源，并进行新能源的上市运营。对比众多环保能源及新能源，专家学者及大型企业对燃料电池前景看好，是被公认绿色能源，也是被看好的环保性较高的新技术能源[8]。从分类的角度看，燃料电池有多重类型，也有不同的规格类别。按规格类别划分，有固态形式的SFC，有酸性属性的AFC，有与现有电动车材质同类的PAFC，有碳盐混合形式的MOFC，也有车用最多的PEMFC，总共五中类型[9]。简单来说，燃料电池是一个发电设备，内部是电化学反应方式产生能量，最终将产生的能量转变成了电能。它的发电方法与原电池较类似，实质是一种燃烧反应，只是将催化剂与燃料气体发生反应，相比其他二类电池，系统较复杂，通常是氢的储存、氢的供给、催化剂输送，及热量管理系统等。在能源发现和环保方面，根据交通部公式的动力源中，燃料电池是最好的选择，动力组成对车重影响性较小，也被列为最有效的方案之中，当前车用及应用最广，是一种比较理想的方案[10]。对比国外，我国也着重对燃料电池车辆进行研究，重视程度不亚于国外，在国家“863专项”，“十五”汽车工业重大项目，“十一五”新能源车主要政策下，在整车和动力组成核心技术上，都发表一些论文，建立了相应的专利。从2025长远规划政策中，提出了关键技术的研究清单，以及燃料电池车辆的研究项目，并由各研究院及大型车企认领，制定计划执行及管控措施，以此进行我国燃料电池车辆的统筹规划，以及长远发展。目前，新能源汽车领域在政策和市场的催动下面，迅速发展，燃料电池汽车易是新能源汽车不可或缺的部分，并更好的响应政策及号召，最后使我过新能源汽车行业在全球占领一席之地，提升国家国际影响力，以及产品的竞争力，是一个超前战略定位和战略思路。我国自主研制的各系类氢燃料电池车，如：新帕萨特、超越系类、8~12m零排放客车等，都经受了各大赛事和各大活动的考验，服务于全球事项活动，其中尤为重要的是08年北京奥运会，以及10年的上海世博会，经受住了恶劣条件（高强度、超高温等）试运行考核。国外技术大国（美、日、韩及欧盟）都加大了FCV的研究，投入巨大，不过取的成果也较大，一定范围内也进行了试生产、试运作。以丰田公司和通用集团为首的各大车企，相继推出不同类型的氢燃料电池车型，进行小规模运行，从初步运行阶段，不断向产业化发展。燃料电池客车层面，目前美、日、德等国家陆续投放一系列氢燃料客车，都是燃料电池和传统锂电池的混联形式，其电堆功率在200kW左右，续航里程达到300千米，电堆耐受性长达1万小时，其动力性和延续性媲美现有纯电客车。中国城市燃料电池客车的研究较早，08年就已退出一款11米客车，近几年的研究进行较快，车辆的急加速和长时间高功率运行较平稳，性能指标对比国外，也不相上下。氢耗指标有一定优势，储氢瓶的最高压力均为35MPa。表5为国内外燃料电池客车技术指标对比[11]。作为客车界前三的宇通客车，纯电客车的研究转型迅速，以纯电动驱动形式，制定了长期技术研究路线，加大投入力度进行氢燃料客车研究。在2014年由工信部批示，宇通准入试产燃料电池客车，通过一年的研究和试制，在2015年宇通牌燃料电池客车正式上立公告目录。宇通客车根据企业产品规划情况，制定了五年计划和长远技术路线，阶段性完成关键技术研究，通过对标降本等措施，实现燃料电池客车小批量运行，及大批量运营推广。其他客车品牌，如金龙、海格、欧辉、福田等也加打了对燃料电池客车的投入，并在近五年，海格和福田批量投入了燃料电池客车，并进行实地运行。实践证明，具有中国特色的燃料电池客车，“电电混合”技术是适合当前我国燃料电池发展特点的，也适合我过新能源产业的发展。1.3燃料电池热管理系统概述所谓热管理，就是对一个空间内温度的管控，并对加热、产热和散热通过某种渠道进行交换，是通过外部组件或零部件进行系统化，把该系统中各零部件的温度进行管控，使其在一定范围内工作。燃料电池有诸多关键技术，其热量管理也不外乎其右，热管理包括两个方面，一事冷启动，二是系统的换热。冷启动方面，主要是外部强加或辅助加热启动，及系统的自动升温后启动，犹如传统发动机的预热一样，在低温环境下，使电堆系统更快进行稳态输出。主要是考虑电堆工作时，电化学反应生成的水蒸气，在较低环境温度下会凝结结冰，若结冰面积较大时，会导致反应膜的损伤，影响其寿命。系统换热方面，由于燃料电池工作的特性，系统工作温度长期维持在70度左右，而自身的热负荷几乎没有，造成系统负荷增加，工作时产生的热量需要靠循环冷却介质带出，而且占比总热量的九成以上，这给燃料电池冷却带来很大的挑战，电堆稳态功率输出时，审核系统有效的换热时必要的，而冷却介质在电堆进出口的温度差额较小，对电堆冷却系统的技术方案是考验，适当有效的控制方案会提高自身的输出效率。对于传统汽车，发动机热交换率在0.12到0.15之间，而燃料电池车辆换热率占比40%左右，所以传统车辆的热效率远低于燃料电池车辆，又在等功率的前提下，传统汽车的能耗较高，燃料电池车辆的能耗较低，后者比前者节能2.5倍。虽然燃料电池车辆存在环保、节能灯优势，但还存在着许多技术瓶颈，其中就有热管理冷却部分。对于燃料电池的散热，主要通过冷却流道内循环的冷却介质（液体，本课题选择低电导率的的去离子水）带走热量，占比百分之90以上，甚至百分之95以上；另外就是通过把气体作为冷却介进行热量交换。燃料电池堆一般有两个散热途径，根据不少专家学者的研究，通过空气进行热交换，很难满足电堆的性能，需要外部强制增加换热模块或改变电堆本体结构，来实现热量交换需要。传统发动机的产生的热量，需要外部辅助散热的热量较少，大多通过尾气和自身热辐射进行交换，而燃料电池这部分的换热量较少，在恶劣环境中，燃料电池系统六成以上的热量需要通过散热器排除[12]。燃料电池工作时，主要的产热有几个方面，一事系统的电阻热，二是反应生产凝结产热，三是系统反应产热，四是电化学反应的生成热，即熵变[13]。在系统产生的热量中，八成以上是在阴极催化层一侧，甚至可以达到九成及以上，剩下的热量通过尾气换热到大气环境中去[14]，所以燃料电池系统产生的热量，大约百分之95是通过循环冷却介质换热。J.P.Owejan等人[15]研究表明，质子交换膜燃料电池产热功率ρ，伴随系统电流密度的增大而增加，当电流密度高于一定值情况下，ρ产热大于ρ电流。在呢电堆工作中，一般情况下ρ电流是大于等于0.8A/cm1.4燃料电池热管理系统的研究现状和趋势现阶段燃料电池客车大多搭载储氢式燃料电池，整车合理布置并搭载高压储氢罐为燃料电池的燃料供给，这种匹配的技术方案在实际应用中存在着许多瓶颈，如：成本较高的催化剂，使得电堆本体供应商和客车制造商成本增高；对整车在不同工况下的热管理要求较高；燃料电池系统化学反应不完全会造成质子交换膜寿命；采用高纯度的氢气作为燃料，对车辆使用地制氢、加氢、供氢、储氢的设施建设和系统技术攻关等存在较大的挑战。对目前燃料电池客车而言，通过研究匹配和与实际实验数据分析已经形成一套完善的供氢系统和热管理系统，但是由于电堆内的水热管理的强耦合性，电堆的水热管理问题依旧是一个难点。合理的水热管理能够提高电堆的安全工作和寿命延长，还可以提高电堆的工作效率，提升电堆的输出功率，进一步提高车辆的经济性和可靠性。1.4.1燃料电池热管理系统的研究方向随着燃料电池技术的不断发展，燃料电池热管理系统也会在技术上得以突破，会有更加完善的发展，主要热管理方案如下[16]：单向冷却方式，即通过单一物质或介质进行的冷却。就目前PEMFC而言，有两种单向冷却方式方案，一个是把空气作为冷却物质或介质，另一个是把液体错位冷却介质，也是当前燃料电池热管理上采用最多的方式。1）空气冷却。目前有两种燃料电池是通过空气冷却的[17]，（1）专用通道方式，即反应气体及空气排热都各有通道，也有专门的气体输入设施，或者与排热的空气共用；（2）共用通道方式，燃料电池工作时，电化学反应的氧气输入，是外部空气中的氧气，而空气中的氧气占比较小，除氧气外的大部分空气，是可以进行热交换的。该冷却方式多用于较小功率（小于等于五千瓦）的电堆上，热管理效果是可以满足的；虽然成本较低，散热性能较好，但由于大功率电堆由于结构原因，一般不采用这种冷却方式。2）液体冷却。这种冷却方式多用于车辆、船舶和飞机上，在超过五千瓦功率的工业领域也有应用，在严寒和高温环境下，大功率电堆对然管理的要求较高，考验着电堆稳态功率输出。这种冷却方式下的燃料电池，难受性更好，相比空气冷却方式，电堆的比功率也高8倍左右，其电堆内部的温度波动较小，温度分布特性较好、较均匀。液体冷却是也有专门的通道，布置在电堆中的阴极极流板，及阳极极流板中，通过循环冷却液进行热交换，带走电堆工作时发热量。但这种冷却方式，需要在燃料电池上应用散热或换热部件，反而增加了换热部件的功耗，功耗占比输出功率的九分之一，其经济性会下降。燃料电池对液体冷却介质也有约束条件，电导率不能过高，如果过高会对膜造成损伤，其新能也会有影响，安全等方面的影响。通过液体冷却的燃料电池，冷却介质的匹配多是地电导率的去离子水，高纯度的乙二醇，或者是供应商技术协议要求的专用冷却液。国内外专家学者进行了大量研究，主要针对热管理的技术探索，为了堆内温度的均匀分布，电堆的性能提升，以及燃料电池的使用寿命[18-21]。相变冷却方式。该冷却方式按过程可分为4大类，分别是热量的通过冷却液蒸发散热，通过流动使其沸腾的冷却形式，特数材质的相变冷却，以及通过增加热管技术的冷却方式。与单相冷却不同的是，该冷却方式将物体进行变活或相变，在这个过程中进行吸热，已达到冷却的目的。（1）蒸发冷却。该冷却方式试将冷却介质的状态发生变化，在这个过程中进行散热，即根据冷却试制的沸点，设计合理的温度域，将冷却介质汽化。一般情况下，电堆选用这种冷却方式时，冷却介质和气体同侧进入，都是从电堆阴极侧流入的。无论蒸发散热，还是通过冷凝的方式进行热交换，其散热效率都高于单项冷却，在进行冷却系统匹配或研究时，可选用低频率的水泵，以及较小面积的散热器。当冷却介质时湿空气时，可以更好的进行膜的散热，提高性能的同时，让反应膜更耐受、寿命更长。（2）流动沸腾冷却。该冷却方式的主要点在沸点，把冷却介质汽化，在这个汽化过程中进行热交换。根据不少研究表面，电堆若处在恒温或均匀温度状态下，电堆性能和稳定效率更高。但这用冷却方式有优点，也有缺点，不足之处就是在系统研究中，需要额外增加冷却通道。（3）热管散热技术。该冷却方式类似于前两种冷却形式，都需要将冷却介质汽化，通过汽化过程散热，不同的是该冷却方式发生的一定的区域内。具体是在汽化区域内，通过冷却介质汽化过程，把热量传递到冷凝区域，最后到外部环境。一般常用高导热系数的材质，比如铜铝等。这种冷却方式还在研究阶段，未曾面试，相信不久的将来也会成为电堆散热的一种搭载形式。该冷却方式的优点明显，无需在系统增加辅助部件，只通过传导方式进行散热。（4）相变材料散热技术。该冷却方式优点突出，也受专家学者关注，通过特殊材料发生相变，在相变过程中进行热交换，它能更好的使电堆内温度进行均衡，结构方面也不同其他散热方式，简单便利。但在燃料电池领域，采用该冷却方式的较少[22-23]。叶锋等[24]提出可将相变材料的储能功能运用于热管理系统中，提高能源利用率。燃料电池电堆内部空间狭窄，依赖相变材料带走反应过程生成的热量，不是特别的有意义，而利用相变材料对燃料电池的废热进行回收利用，也将是一个值得研究的方向。1.4.2燃料电池热管理系统的研究现状热管理系统对电堆的水热特性影响较大，截止目前，国内外大量学者对此进行了不少的研究。王贤海[25]提出了一种用于研究温度对电池性能影响的仿真建模方法，结合燃料电池系统的构造，在Matlab/Simulink平台上进行了温度控制仿真研究。Peng等人[26]依据建立的电堆冷却剂循环冷却数学模型和控制经验法则，提出了一种温度模