【车用燃料电池管理系统探究文献综述5400字】

车用燃料电池管理系统研究国内外文献综述目录TOC\o"1-2"\h\u27701车用燃料电池管理系统研究国内外文献综述 1119751.2国内外车用燃料电池及现状 164511.3燃料电池热管理系统简述 2273831.4燃料电池热管理系统的研究现状和趋势 331411.4.1燃料电池热管理系统的研究方向 3182951.4.2燃料电池热管理系统的研究现状 5204141.4.3燃料电池热管理系统的研究意义 69661.4.4客车燃料电池热管理系统的趋势 620937参考文献 61.2国内外车用燃料电池及现状汽车工业发展到今天面临着来自能源、环境、社会等方面的挑战和压力。传统的汽车主要以燃烧各种石油提炼物的内燃机来提供动了。随着人们的不断开采，地球上的石油资源正在逐渐减少，使得有牌子产生的环境污染严重威胁到人们的生存环境。基于这些问题，世界各国都在进行新能源的开发和利用，在众多的高效、成熟、经济、绿色的新能源中，目前最为世界各国汽车工业界所看好的是集能源和环境与环保统一的绿色技术燃料电池[8]。燃料电池的种类很多，其分类方法也有多种。按电解质的类型可分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)等5大类[9]。燃料电池(FuelCell，FC)是一种将氢气和氧气通过电化学反应直接将化学能转化为电能的发电装置，其过程不涉及燃烧，不受卡诺循环的限制，能量转化率高，产物为电、热和水，是氢能应用的重要形式。燃料电池汽车(FuelCellVehicle，FCV)采用燃料电池产生的电能作为动力，具有使用零污染、续航里程长和加氢时间短等优势，广泛应用有助于节约燃料以及减少大气污染，是未来汽车工业可持续发展的重要方向之一，也是解决全球能源和环境问题的理想方案之一[10]。中国对燃料电池汽车的研发也相当重视，在《中国制造2025》等纲领性文件中，对燃料电池汽车及其相关技术提出了明确的发展规划。目前，燃料电池汽车已经成为中国汽车和能源领域发展的重要载体，对推动交通领域低碳转型以及提升重点产业国际竞争力和科技创新力具有特殊的战略意义。美国、欧盟和日韩等国都投入了大量资金和人力开展燃料电池汽车的研究，丰田、本田、通用、福特、奔驰、现代等公司都已开发出燃料电池车型并进行示范运行，进入初步应用阶段。燃料电池客车方面，目前美国、德国、日本都推出了燃料电池客车，功率从120～200kW，都配有锂电池，续驶里程300km左右，耐久性平均达到10000h。中国燃料电池城市客车在加速时间、最高车速等动力性指标方面与国外的车型基本相当，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]。宇通确立“纯电驱动”的技术转型战略，按照混合动力—插电式—纯电动—燃料电池的技术路线，重点研发氢燃料电池客车，并于2014年获得工信部批准的燃料电池客车生产资质，2015年，宇通燃料电池客车正式列入汽车新产品公告管理，宇通客车计划2016年-2018年实现关键技术突破，提高产品耐久性和可靠性，降低成本，并尝试百辆级的小规模示范运营。2019年-2020年待技术成熟后开始千辆级的大规模推广应用。1.3燃料电池热管理系统简述热管理是对一个系统的温度和换热量进行管理，把所管理的部件的温度及换热器控制在一定的阀值作为目的。热管理技术是燃料电池发动机关键技术之一，热管理技术有：1）冷起动。燃料电池在低温下的性能比常温下要差很多，温度在零下时水会结冰损坏膜。因此，如何在停机时将水分从燃料电池中排除掉，或在启动时加热，以减少结冰量，是提高低温启动性能和可靠性的关键。2）散热。PEMFC工作温度低、热负荷大，绝大部分热量需要冷却液带走，同时散热器中冷却液与环境的温差小，如何有效散热，使燃料电池汽车正常运行，对其热管理系统提出了更高的要求。对于汽车而言，传统的发动机效率只有12%~15%，而燃料电池动力系统的热效率一般为35%~42%，燃料电池发动机的效率远高于传动发动机，并且在产生相同功率的情况下，燃料电池比一般的汽车节能25%左右。尽管燃料电池有诸多优点，但目前有不少技术难点没有攻克，如热管理散热问题。燃料电池堆一般有两个散热途径，空气或冷却液（本文指去离子水，）往往空气散热途径无法满足散热需求，必须通过换热器强制换热。传统发动机的大部分废热可通过机体本身和尾气排除，然而在极端环境温度下，燃料电池动力系统（FCPS）62%的热量需要通过散热器排除[12]。燃料电池在工作过程中热量的来源主要有:欧姆电阻的产热、反应产生的水蒸气冷凝放热、不可逆的反应热量和电化学反应的熵变[13]。热量中的80%～90%产生于阴极侧催化剂层，只有约5%的废热能被空气尾气带出电堆[14]，即PEMFC工作时产生的热量，有95%依赖于冷却介质带走。J.P.Owejan等[15]发现:PEMFC产热功率密度和有效功率密度随着电流密度的增加而增加，当电流密度大于一定的值时，产热功率密度会高于有效功率密度。燃料电池在实际使用过程中，往往在高电流密度(≥0.8A/cm2)下工作，因此电堆通常具有较大的功率密度，产热功率密度可达2.5～3.0W/cm2。燃料电池电堆持续高效率的工作依赖于高效的热管理系统。一般而言，PEMFC热管理需要考察两个基本指标:反应区域最高温度和温度分布均匀性。1.4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会有更加完善的发展，主要研究方向如下[16]：单向冷却方式。对于PEMFC，单相冷却方式主要有空气冷却和液体冷却等两种类型，也是目前运用最为广泛的两种冷却技术。1）空气冷却。空气冷却的散热方式多用于具有零部件少、成本低、系统效率高等特点的小功率(≤5kW)PEMFC系统中。空气冷却型燃料电池电堆有两种结构[17]:①反应空气(或氧气)与散热空气分别设有流道，反应所需空气可由另外的空气输送设备提供，也可与散热用空气共用空气输送设备;②反应空气(或氧气)与散热空气共用流道，燃料电池工作时，经过阴极反应区域的空气只有小部分起到提供反应所需要氧气的作用，其他部分则带走反应过程中生成的热量。2）液体冷却。汽车、船舶及大型运输机等需要大功率(＞5kW)动力系统的应用领域，对燃料电池的功率密度有更为严格的要求，对燃料电池环境温度适应性的要求也更高。液冷型燃料电池的比功率一般可达到2kW/kg，是空冷型的4～8倍，环境适应性也比空冷型好。液体的比热容比空气大，采用液体冷却方式，燃料电池的温度分布更为均匀。液体冷却是在燃料电池阴、阳极板之间设计独立的冷却液流道，依靠冷却液强制对流换热，将燃料电池工作过程产生的热量带走。采用该冷却方式的燃料电池动力系统，零部件多、结构复杂，散热所用的附件功耗大，一般占有效输出功率的10%左右。燃料电池对冷却液的离子浓度有严格的要求，当离子浓度超过一定值后，会影响燃料电池的性能，甚至影响运行安全。燃料电池冷却液需选用去离子水或专用的防冻液。为了从热管理方面提升燃料电池的性能、延长使用寿命，人们在燃料电池极板冷却流道结构上开展了一系列的研究，以获得更低的最高温度，提高极板的温度均匀性[18-21]。相变冷却方式。单相冷却方式是利用冷却介质的显热带走燃料电池工作过程产生的热量;而相变冷却方式则是利用物体相变时会吸收大量的热量的特性来对热源进行冷却。常用的相变冷却有蒸发、流动沸腾、热管散热和相变材料等4种。（1）蒸发冷却。蒸发冷却是指冷却液在低于沸点的条件下从液态转变为气态，带走热源热量的冷却方式。一般而言，燃料电池的蒸发冷却是将冷却液和空气一起从阴极侧进入系统。冷却液可以加湿空气，提升质子交换膜含水量，提升燃料电池性能;同时，很大一部分的冷却液会被空气带入反应热源核心区域被蒸发掉，带走反应中生成的热量，使反应区域保持合适的温度。由于蒸发和冷凝换热比单相对流换热更高效，可大幅度降低冷却水泵的负荷，散热器的体积也会小很多。（2）流动沸腾冷却。流动沸腾冷却是指冷却液在达到沸点的条件下从液态转变为气态，带走热源热量的冷却方式。流动沸腾冷却过程中，冷却液的温度恒定在沸点不变，可满足燃料电池反应区域均温性的要求。与传统液体冷却方式类似，该冷却方式需要设计独立的冷却液流道。（3）热管散热技术。热管散热主要依赖于蒸发段的液体汽化，将热量转移到冷凝段，然后从冷凝段散出到外界。热管的材质一般为铜或铝合金，能保证热源面温度保持较好的均布性。另外，冷却液在热管内的循环不依赖于外界动力元件。目前，该技术在燃料电池中的应用仍然处于实验阶段。热管散热技术在燃料电池领域的应用研究刚起步，需要进一步研发，将热管散热技术与燃料电池有效地结合。（4）相变材料散热技术。近几年，相变材料(PCM)散热技术倍受关注，它是利用材料发生相变时的潜热带走热源热量。相变材料在燃料电池方面的应用研究极少，在其他领域的应用大多数也处于初期阶段。相变材料运用热管理领域具有温度分布均匀、节能、结构简单和维护成本低等优点[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，提出了一种温度模糊控制策略，保证了电堆具有理想的工作温度范围。Zhao等人[27]建立了能够较为准确的模拟输出电压、冷却水流量温度和散热器电压的水冷系统模型，进行了热管理控制仿真并与相应的实验系统进行了对比验证。Saygili等人[28]开发了电堆系统基于能力平衡的仿真模型，并进行了相应的动态测试，研究并评估了可能被采用的闭循环冷却水循环控制器和控制策略。1.4.3燃料电池热管理系统的研究意义由于水热管理存在前耦合性，电堆内的水热特性很难调节至最佳状态，热管理系统的稳定和温度的控制长时间无法达到适应状态。所以，在不同工况下，为保证电堆输出功率的高效性和稳定性，尽可能小的避免电堆内质子交换膜的损伤（过湿或干燥），电堆热管理系统的研究是对电池的性能、耐久性及寿命延长具有重要意义。故，电堆热管理系统具有相当大的研究价值。1.4.4客车燃料电池热管理系统的趋势从目前燃料电池发动机的各种散热技术看，在客车燃料电池热管理领域的研究和应用现状，单相冷却依旧是目前客车燃料电池领域运用得最为广泛的技术，但基于相变冷却的热管理技术在燃料电池的热管理领域有着非常重要的意义和前景，值得进一步研究。另外，研究能耐更高温度的PEMFC是一个非常有意义的方向，它对于燃料电池热管理技术的发展也会有着很大的影响。参考文献[1]衣宝廉．对我国燃料电池发展的思考与几点建议［EB/OL］．(2016－03－28)［2018－04－17］．[2]李建秋．关于我国燃料电池产业发展的趋势和建议［EB/OL］．(2018－01－22)［2018－04－17］．[3]李相哲，苏芳，林道勇.电动汽车动力电源系统[M].北京：化学工业出版社，2011.[4]陈全世，朱家琏，田光宇.先进电动汽车技术[M].北京：化学工业出版社，2007.[5]Ehsani，M.等.现代电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池车-基本原理、理论和研究[M].2版.倪光正，倪培宏，熊素铭，译.北京：机械工业出版社，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