車用燃料電池發(fā)展研究國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u11798車用燃料電池發(fā)展研究國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述 183421.2國(guó)內(nèi)外車用燃料電池及現(xiàn)狀 159051.3燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)概述 327161.4燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究現(xiàn)狀和趨勢(shì) 4102921.4.1燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究方向 4120861.4.2燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究現(xiàn)狀 6249601.4.3燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究意義 71561.4.4客車燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的趨勢(shì) 71.2國(guó)內(nèi)外車用燃料電池及現(xiàn)狀當(dāng)前，汽車工業(yè)的發(fā)展受多項(xiàng)因素的影響，面臨著能源危機(jī)、環(huán)保要求、社會(huì)科學(xué)等的壓力，對(duì)其長(zhǎng)期發(fā)展存在不利性、局限性。對(duì)傳統(tǒng)車輛而言，動(dòng)力燃料主要是石油的分解提煉，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)力輸出。伴隨著石油能源的發(fā)現(xiàn)和過(guò)度開(kāi)采，全球的石油量在不久的將來(lái)會(huì)逐步減少，甚至枯竭。另外，過(guò)多的燃油燃燒，對(duì)環(huán)境造成的污染尤其嚴(yán)重，甚至影響居住環(huán)境和人類的生存。綜合以上問(wèn)題考慮，全世界不同國(guó)家都出臺(tái)積極政策，采取相應(yīng)的有利措施，鼓勵(lì)和推動(dòng)車企及研究中心開(kāi)發(fā)新的能源，并進(jìn)行新能源的上市運(yùn)營(yíng)。對(duì)比眾多環(huán)保能源及新能源，專家學(xué)者及大型企業(yè)對(duì)燃料電池前景看好，是被公認(rèn)綠色能源，也是被看好的環(huán)保性較高的新技術(shù)能源[8]。從分類的角度看，燃料電池有多重類型，也有不同的規(guī)格類別。按規(guī)格類別劃分，有固態(tài)形式的SFC，有酸性屬性的AFC，有與現(xiàn)有電動(dòng)車材質(zhì)同類的PAFC，有碳鹽混合形式的MOFC，也有車用最多的PEMFC，總共五中類型[9]。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，燃料電池是一個(gè)發(fā)電設(shè)備，內(nèi)部是電化學(xué)反應(yīng)方式產(chǎn)生能量，最終將產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)變成了電能。它的發(fā)電方法與原電池較類似，實(shí)質(zhì)是一種燃燒反應(yīng)，只是將催化劑與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，相比其他二類電池，系統(tǒng)較復(fù)雜，通常是氫的儲(chǔ)存、氫的供給、催化劑輸送，及熱量管理系統(tǒng)等。在能源發(fā)現(xiàn)和環(huán)保方面，根據(jù)交通部公式的動(dòng)力源中，燃料電池是最好的選擇，動(dòng)力組成對(duì)車重影響性較小，也被列為最有效的方案之中，當(dāng)前車用及應(yīng)用最廣，是一種比較理想的方案[10]。對(duì)比國(guó)外，我國(guó)也著重對(duì)燃料電池車輛進(jìn)行研究，重視程度不亞于國(guó)外，在國(guó)家“863專項(xiàng)”，“十五”汽車工業(yè)重大項(xiàng)目，“十一五”新能源車主要政策下，在整車和動(dòng)力組成核心技術(shù)上，都發(fā)表一些論文，建立了相應(yīng)的專利。從2025長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃政策中，提出了關(guān)鍵技術(shù)的研究清單，以及燃料電池車輛的研究項(xiàng)目，并由各研究院及大型車企認(rèn)領(lǐng)，制定計(jì)劃執(zhí)行及管控措施，以此進(jìn)行我國(guó)燃料電池車輛的統(tǒng)籌規(guī)劃，以及長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。目前，新能源汽車領(lǐng)域在政策和市場(chǎng)的催動(dòng)下面，迅速發(fā)展，燃料電池汽車易是新能源汽車不可或缺的部分，并更好的響應(yīng)政策及號(hào)召，最后使我過(guò)新能源汽車行業(yè)在全球占領(lǐng)一席之地，提升國(guó)家國(guó)際影響力，以及產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，是一個(gè)超前戰(zhàn)略定位和戰(zhàn)略思路。我國(guó)自主研制的各系類氫燃料電池車，如：新帕薩特、超越系類、8~12m零排放客車等，都經(jīng)受了各大賽事和各大活動(dòng)的考驗(yàn)，服務(wù)于全球事項(xiàng)活動(dòng)，其中尤為重要的是08年北京奧運(yùn)會(huì)，以及10年的上海世博會(huì)，經(jīng)受住了惡劣條件（高強(qiáng)度、超高溫等）試運(yùn)行考核。國(guó)外技術(shù)大國(guó)（美、日、韓及歐盟）都加大了FCV的研究，投入巨大，不過(guò)取的成果也較大，一定范圍內(nèi)也進(jìn)行了試生產(chǎn)、試運(yùn)作。以豐田公司和通用集團(tuán)為首的各大車企，相繼推出不同類型的氫燃料電池車型，進(jìn)行小規(guī)模運(yùn)行，從初步運(yùn)行階段，不斷向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。燃料電池客車層面，目前美、日、德等國(guó)家陸續(xù)投放一系列氫燃料客車，都是燃料電池和傳統(tǒng)鋰電池的混聯(lián)形式，其電堆功率在200kW左右，續(xù)航里程達(dá)到300千米，電堆耐受性長(zhǎng)達(dá)1萬(wàn)小時(shí)，其動(dòng)力性和延續(xù)性媲美現(xiàn)有純電客車。中國(guó)城市燃料電池客車的研究較早，08年就已退出一款11米客車，近幾年的研究進(jìn)行較快，車輛的急加速和長(zhǎng)時(shí)間高功率運(yùn)行較平穩(wěn)，性能指標(biāo)對(duì)比國(guó)外，也不相上下。氫耗指標(biāo)有一定優(yōu)勢(shì)，儲(chǔ)氫瓶的最高壓力均為35MPa。表5為國(guó)內(nèi)外燃料電池客車技術(shù)指標(biāo)對(duì)比[11]。作為客車界前三的宇通客車，純電客車的研究轉(zhuǎn)型迅速，以純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)形式，制定了長(zhǎng)期技術(shù)研究路線，加大投入力度進(jìn)行氫燃料客車研究。在2014年由工信部批示，宇通準(zhǔn)入試產(chǎn)燃料電池客車，通過(guò)一年的研究和試制，在2015年宇通牌燃料電池客車正式上立公告目錄。宇通客車根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品規(guī)劃情況，制定了五年計(jì)劃和長(zhǎng)遠(yuǎn)技術(shù)路線，階段性完成關(guān)鍵技術(shù)研究，通過(guò)對(duì)標(biāo)降本等措施，實(shí)現(xiàn)燃料電池客車小批量運(yùn)行，及大批量運(yùn)營(yíng)推廣。其他客車品牌，如金龍、海格、歐輝、福田等也加打了對(duì)燃料電池客車的投入，并在近五年，海格和福田批量投入了燃料電池客車，并進(jìn)行實(shí)地運(yùn)行。實(shí)踐證明，具有中國(guó)特色的燃料電池客車，“電電混合”技術(shù)是適合當(dāng)前我國(guó)燃料電池發(fā)展特點(diǎn)的，也適合我過(guò)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。1.3燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)概述所謂熱管理，就是對(duì)一個(gè)空間內(nèi)溫度的管控，并對(duì)加熱、產(chǎn)熱和散熱通過(guò)某種渠道進(jìn)行交換，是通過(guò)外部組件或零部件進(jìn)行系統(tǒng)化，把該系統(tǒng)中各零部件的溫度進(jìn)行管控，使其在一定范圍內(nèi)工作。燃料電池有諸多關(guān)鍵技術(shù)，其熱量管理也不外乎其右，熱管理包括兩個(gè)方面，一事冷啟動(dòng)，二是系統(tǒng)的換熱。冷啟動(dòng)方面，主要是外部強(qiáng)加或輔助加熱啟動(dòng)，及系統(tǒng)的自動(dòng)升溫后啟動(dòng)，猶如傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)熱一樣，在低溫環(huán)境下，使電堆系統(tǒng)更快進(jìn)行穩(wěn)態(tài)輸出。主要是考慮電堆工作時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)生成的水蒸氣，在較低環(huán)境溫度下會(huì)凝結(jié)結(jié)冰，若結(jié)冰面積較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)膜的損傷，影響其壽命。系統(tǒng)換熱方面，由于燃料電池工作的特性，系統(tǒng)工作溫度長(zhǎng)期維持在70度左右，而自身的熱負(fù)荷幾乎沒(méi)有，造成系統(tǒng)負(fù)荷增加，工作時(shí)產(chǎn)生的熱量需要靠循環(huán)冷卻介質(zhì)帶出，而且占比總熱量的九成以上，這給燃料電池冷卻帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)，電堆穩(wěn)態(tài)功率輸出時(shí)，審核系統(tǒng)有效的換熱時(shí)必要的，而冷卻介質(zhì)在電堆進(jìn)出口的溫度差額較小，對(duì)電堆冷卻系統(tǒng)的技術(shù)方案是考驗(yàn)，適當(dāng)有效的控制方案會(huì)提高自身的輸出效率。對(duì)于傳統(tǒng)汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)熱交換率在0.12到0.15之間，而燃料電池車輛換熱率占比40%左右，所以傳統(tǒng)車輛的熱效率遠(yuǎn)低于燃料電池車輛，又在等功率的前提下，傳統(tǒng)汽車的能耗較高，燃料電池車輛的能耗較低，后者比前者節(jié)能2.5倍。雖然燃料電池車輛存在環(huán)保、節(jié)能燈優(yōu)勢(shì)，但還存在著許多技術(shù)瓶頸，其中就有熱管理冷卻部分。對(duì)于燃料電池的散熱，主要通過(guò)冷卻流道內(nèi)循環(huán)的冷卻介質(zhì)（液體，本課題選擇低電導(dǎo)率的的去離子水）帶走熱量，占比百分之90以上，甚至百分之95以上；另外就是通過(guò)把氣體作為冷卻介進(jìn)行熱量交換。燃料電池堆一般有兩個(gè)散熱途徑，根據(jù)不少專家學(xué)者的研究，通過(guò)空氣進(jìn)行熱交換，很難滿足電堆的性能，需要外部強(qiáng)制增加換熱模塊或改變電堆本體結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量交換需要。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)生的熱量，需要外部輔助散熱的熱量較少，大多通過(guò)尾氣和自身熱輻射進(jìn)行交換，而燃料電池這部分的換熱量較少，在惡劣環(huán)境中，燃料電池系統(tǒng)六成以上的熱量需要通過(guò)散熱器排除[12]。燃料電池工作時(shí)，主要的產(chǎn)熱有幾個(gè)方面，一事系統(tǒng)的電阻熱，二是反應(yīng)生產(chǎn)凝結(jié)產(chǎn)熱，三是系統(tǒng)反應(yīng)產(chǎn)熱，四是電化學(xué)反應(yīng)的生成熱，即熵變[13]。在系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量中，八成以上是在陰極催化層一側(cè)，甚至可以達(dá)到九成及以上，剩下的熱量通過(guò)尾氣換熱到大氣環(huán)境中去[14]，所以燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，大約百分之95是通過(guò)循環(huán)冷卻介質(zhì)換熱。J.P.Owejan等人[15]研究表明，質(zhì)子交換膜燃料電池產(chǎn)熱功率ρ，伴隨系統(tǒng)電流密度的增大而增加，當(dāng)電流密度高于一定值情況下，ρ產(chǎn)熱大于ρ電流。在呢電堆工作中，一般情況下ρ電流是大于等于0.8A/cm1.4燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)現(xiàn)階段燃料電池客車大多搭載儲(chǔ)氫式燃料電池，整車合理布置并搭載高壓儲(chǔ)氫罐為燃料電池的燃料供給，這種匹配的技術(shù)方案在實(shí)際應(yīng)用中存在著許多瓶頸，如：成本較高的催化劑，使得電堆本體供應(yīng)商和客車制造商成本增高；對(duì)整車在不同工況下的熱管理要求較高；燃料電池系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)不完全會(huì)造成質(zhì)子交換膜壽命；采用高純度的氫氣作為燃料，對(duì)車輛使用地制氫、加氫、供氫、儲(chǔ)氫的設(shè)施建設(shè)和系統(tǒng)技術(shù)攻關(guān)等存在較大的挑戰(zhàn)。對(duì)目前燃料電池客車而言，通過(guò)研究匹配和與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析已經(jīng)形成一套完善的供氫系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)，但是由于電堆內(nèi)的水熱管理的強(qiáng)耦合性，電堆的水熱管理問(wèn)題依舊是一個(gè)難點(diǎn)。合理的水熱管理能夠提高電堆的安全工作和壽命延長(zhǎng)，還可以提高電堆的工作效率，提升電堆的輸出功率，進(jìn)一步提高車輛的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。1.4.1燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究方向隨著燃料電池技術(shù)的不斷發(fā)展，燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)也會(huì)在技術(shù)上得以突破，會(huì)有更加完善的發(fā)展，主要熱管理方案如下[16]：?jiǎn)蜗蚶鋮s方式，即通過(guò)單一物質(zhì)或介質(zhì)進(jìn)行的冷卻。就目前PEMFC而言，有兩種單向冷卻方式方案，一個(gè)是把空氣作為冷卻物質(zhì)或介質(zhì)，另一個(gè)是把液體錯(cuò)位冷卻介質(zhì)，也是當(dāng)前燃料電池?zé)峁芾砩喜捎米疃嗟姆绞健?）空氣冷卻。目前有兩種燃料電池是通過(guò)空氣冷卻的[17]，（1）專用通道方式，即反應(yīng)氣體及空氣排熱都各有通道，也有專門的氣體輸入設(shè)施，或者與排熱的空氣共用；（2）共用通道方式，燃料電池工作時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)的氧氣輸入，是外部空氣中的氧氣，而空氣中的氧氣占比較小，除氧氣外的大部分空氣，是可以進(jìn)行熱交換的。該冷卻方式多用于較小功率（小于等于五千瓦）的電堆上，熱管理效果是可以滿足的；雖然成本較低，散熱性能較好，但由于大功率電堆由于結(jié)構(gòu)原因，一般不采用這種冷卻方式。2）液體冷卻。這種冷卻方式多用于車輛、船舶和飛機(jī)上，在超過(guò)五千瓦功率的工業(yè)領(lǐng)域也有應(yīng)用，在嚴(yán)寒和高溫環(huán)境下，大功率電堆對(duì)然管理的要求較高，考驗(yàn)著電堆穩(wěn)態(tài)功率輸出。這種冷卻方式下的燃料電池，難受性更好，相比空氣冷卻方式，電堆的比功率也高8倍左右，其電堆內(nèi)部的溫度波動(dòng)較小，溫度分布特性較好、較均勻。液體冷卻是也有專門的通道，布置在電堆中的陰極極流板，及陽(yáng)極極流板中，通過(guò)循環(huán)冷卻液進(jìn)行熱交換，帶走電堆工作時(shí)發(fā)熱量。但這種冷卻方式，需要在燃料電池上應(yīng)用散熱或換熱部件，反而增加了換熱部件的功耗，功耗占比輸出功率的九分之一，其經(jīng)濟(jì)性會(huì)下降。燃料電池對(duì)液體冷卻介質(zhì)也有約束條件，電導(dǎo)率不能過(guò)高，如果過(guò)高會(huì)對(duì)膜造成損傷，其新能也會(huì)有影響，安全等方面的影響。通過(guò)液體冷卻的燃料電池，冷卻介質(zhì)的匹配多是地電導(dǎo)率的去離子水，高純度的乙二醇，或者是供應(yīng)商技術(shù)協(xié)議要求的專用冷卻液。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究，主要針對(duì)熱管理的技術(shù)探索，為了堆內(nèi)溫度的均勻分布，電堆的性能提升，以及燃料電池的使用壽命[18-21]。相變冷卻方式。該冷卻方式按過(guò)程可分為4大類，分別是熱量的通過(guò)冷卻液蒸發(fā)散熱，通過(guò)流動(dòng)使其沸騰的冷卻形式，特?cái)?shù)材質(zhì)的相變冷卻，以及通過(guò)增加熱管技術(shù)的冷卻方式。與單相冷卻不同的是，該冷卻方式將物體進(jìn)行變活或相變，在這個(gè)過(guò)程中進(jìn)行吸熱，已達(dá)到冷卻的目的。（1）蒸發(fā)冷卻。該冷卻方式試將冷卻介質(zhì)的狀態(tài)發(fā)生變化，在這個(gè)過(guò)程中進(jìn)行散熱，即根據(jù)冷卻試制的沸點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的溫度域，將冷卻介質(zhì)汽化。一般情況下，電堆選用這種冷卻方式時(shí)，冷卻介質(zhì)和氣體同側(cè)進(jìn)入，都是從電堆陰極側(cè)流入的。無(wú)論蒸發(fā)散熱，還是通過(guò)冷凝的方式進(jìn)行熱交換，其散熱效率都高于單項(xiàng)冷卻，在進(jìn)行冷卻系統(tǒng)匹配或研究時(shí)，可選用低頻率的水泵，以及較小面積的散熱器。當(dāng)冷卻介質(zhì)時(shí)濕空氣時(shí)，可以更好的進(jìn)行膜的散熱，提高性能的同時(shí)，讓反應(yīng)膜更耐受、壽命更長(zhǎng)。（2）流動(dòng)沸騰冷卻。該冷卻方式的主要點(diǎn)在沸點(diǎn)，把冷卻介質(zhì)汽化，在這個(gè)汽化過(guò)程中進(jìn)行熱交換。根據(jù)不少研究表面，電堆若處在恒溫或均勻溫度狀態(tài)下，電堆性能和穩(wěn)定效率更高。但這用冷卻方式有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)，不足之處就是在系統(tǒng)研究中，需要額外增加冷卻通道。（3）熱管散熱技術(shù)。該冷卻方式類似于前兩種冷卻形式，都需要將冷卻介質(zhì)汽化，通過(guò)汽化過(guò)程散熱，不同的是該冷卻方式發(fā)生的一定的區(qū)域內(nèi)。具體是在汽化區(qū)域內(nèi)，通過(guò)冷卻介質(zhì)汽化過(guò)程，把熱量傳遞到冷凝區(qū)域，最后到外部環(huán)境。一般常用高導(dǎo)熱系數(shù)的材質(zhì)，比如銅鋁等。這種冷卻方式還在研究階段，未曾面試，相信不久的將來(lái)也會(huì)成為電堆散熱的一種搭載形式。該冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)明顯，無(wú)需在系統(tǒng)增加輔助部件，只通過(guò)傳導(dǎo)方式進(jìn)行散熱。（4）相變材料散熱技術(shù)。該冷卻方式優(yōu)點(diǎn)突出，也受專家學(xué)者關(guān)注，通過(guò)特殊材料發(fā)生相變，在相變過(guò)程中進(jìn)行熱交換，它能更好的使電堆內(nèi)溫度進(jìn)行均衡，結(jié)構(gòu)方面也不同其他散熱方式，簡(jiǎn)單便利。但在燃料電池領(lǐng)域，采用該冷卻方式的較少[22-23]。葉鋒等[24]提出可將相變材料的儲(chǔ)能功能運(yùn)用于熱管理系統(tǒng)中，提高能源利用率。燃料電池電堆內(nèi)部空間狹窄，依賴相變材料帶走反應(yīng)過(guò)程生成的熱量，不是特別的有意義，而利用相變材料對(duì)燃料電池的廢熱進(jìn)行回收利用，也將是一個(gè)值得研究的方向。1.4.2燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究現(xiàn)狀熱管理系統(tǒng)對(duì)電堆的水熱特性影響較大，截止目前，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了不少的研究。王賢海[25]提出了一種用于研究溫度對(duì)電池性能影響的仿真建模方法，結(jié)合燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)造，在Matlab/Simulink平臺(tái)上進(jìn)行了溫度控制仿真研究。Peng等人[26]依據(jù)建立的電堆冷卻劑循環(huán)冷卻數(shù)學(xué)模型和控制經(jīng)驗(yàn)法則，提出了一種溫度模