1．目的及意义

1.1课题研究的背景和意义

随着当前人民生活水平的显著提高，汽车作为一种方便快捷的出行工具，它在人们的日常生活中扮演着愈发重要的角色，汽车的使用量越来越大。但是这同时也带来了一些问题，尤其是能源危机和环境污染问题。石油资源是相对有限的，在人们的大肆开采下，已经制约了汽车工业及经济社会的发展速度。为了解决能源问题，世界各国纷纷推动电动汽车的发展来替代传统的以石油为动力的汽车，现有的新能源汽车有很多类型，如纯电动汽车、混合动力汽车、增程式电动汽车、燃料电池电动汽车等。石油燃料燃烧后会产生大量的二氧化碳气体，它是引起温室效应的主要因素，因此目前世界各国都投入了大量的资源对新能源领域进行研究。相比传统的石油汽车，电动汽车有节能、环保、能量利用率高等优点，所以如果新能源能够极大推广，将缓解现今日益突出的能源危机与环境问题。而燃料电池正是其中的主力军^[1]。

燃料电池是一种不经过燃烧过程，直接将燃料的化学能转换为电能的发电装置，也称电化学发电器，由于不受卡诺循环效应的限制，因此效率很高^[2]。此外，燃料电池用燃料和氧气作为原料且没有机械传动部件，故噪声低，排放出的有害气体极少。从节约能源和环保的角度看，燃料电池是极具发展前途的技术。与传统意义上的电池相比，燃料电池有其自身的特点，燃料电池的工作原理、结构设计和管理模式不同于干电池及充电电池。燃料电池系统极其复杂，且其内部的活性物质是独立于燃料电池本身而存在的，对燃料电池提供燃料和氧化剂，它就可以像传统的汽油机一样连续不断地工作，与普通热机发电机存在一定的类似性。通常根据其中电解质种类不同，燃料电池可分为质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和直接甲醇燃料电池等类型^[3]。

燃料电池和其它能量转换装置一样，在从化学能转化为电能的过程中会发生能量损失，这种损失直接反映为系统产生的热量，如果热量不及时散发出去，则会产生一系列问题^[4]。不同于传统内燃机可以通过排放尾气进行大量散热，为了保证燃料电池能处于最佳工作状态，燃料电池系统必须进行合理、有效的散热。燃料电池中多余热量的排出方案的选择取决于燃料电池的大小，通常有水冷式和风冷式方法。水冷式一般采取冷却循环水泵强制循环水流过电堆，带走多余热量，然后经过散热器由水将热量传递给环境，达到散热的目的；风冷式则通常利用燃料电池阴极空气将反应过程中产生的热量直接带到系统外，有自然冷却和强制冷却两种方式^[5]。实际上温度对燃料电池性能及可靠性有着重要的影响^[6]，所以燃料电池系统的热管理是至关重要的。

本课题以用于电动汽车增程器的燃料电池为主要研究对象，研究其工作原理，结合实际应用，从热场角度分析影响燃料电池性能的主要因素，根据燃料电池工作过程中的主要参数，对燃料电池的热场分布进行建模仿真，为优化电池性能提供依据。

1.2国内外的发展现状

1.2.1国外发展现状

1839年,英国物理学家格罗夫首先介绍了燃料电池的原理性实验，即把装有铂电极的玻璃管浸在稀硫酸中，先电解产生氢和氧，然后连接外部负载，这样氢和氧就发生电池反应，产生电流。1932年,英国剑桥大学的培根博士根据施密特提出的多孔扩散电极理论，开发出了双孔电极，并将L. Mond和C. Langer两位化学家所提出的燃料电池装置加以改进。1959年，在科学家的不懈努力下一台真正意义上的功率为5kw的燃料电池系统制造成功，奠定了未来燃料电池产业化生产的道路。20世纪60年代,燃料电池首次应用在美国航空航天管理局的阿波罗登月飞船上作为辅助电源,燃料电池的研究进入了快速发展阶段。1973年,在全球能源危机的刺激下,为了提高能源利用率,研究重点从航天转向地面发电装置。20世纪80年代末期,环境污染问题逐步恶化，以提高能源利用率、减少环境污染为目标的燃料电池研究工作引起了各国政府及科学家的重视。1993年,加拿大Ballard公司展示了一辆零排放、以质子交换膜燃料电池为动力的公交车,引发了全球性燃料电池电动汽车的研究开发热潮^[7]。二十一世纪以来，美国一直是领导世界燃料电池发展的主要国家，率先在北美开展了燃料电池汽车的研发与示范运行；日本在此期间也取得了重大进展，丰田的燃料电池汽车Mirai掀开了世界燃料电池汽车产业发展的序幕^[8]；加拿大的质子交换膜燃料电池技术则是当前全球领先的。汽车的发源地欧洲也在大力发展燃料电池汽车，欧盟提出的燃料电池客车计划，已经完成了第7框架的计划，燃料电池电动汽车的相关技术指标接近燃油汽车的标准。作为汽车行业的传统强国德国，大众奔驰戴姆勒和能源公司与政府共同承若：建立全国范围的加氢站，大力支持发展燃料电池电动汽车^[9]。

随着燃料电池技术的发展，世界各国也相应进行了不同的燃料电池的热管理研究。以固体氧化物燃料电池（SOFC）为例，国外SOFC系统的相关研究开发主要集中在SOFC专门研究机构和公司，譬如美国SECA出资的Fuel Cell Energy、Cummins、Delphi等公司及欧洲、日本和澳大利亚的研究机构，在中温平板SOFC领域，美国的Versa Power领先世界水平^[10]。美国国家燃料电池研究中心通过在空气供气系统中引入一路流量可调的冷空气管道，用于调节电堆空气入口温度，进而控制电堆入出口温差，并集成了相应的外围供气系统验证了其可行性^[11]。在电堆温度建模方面，H. Ly等在保持几何分辨率和燃料电池重要特征的基础上，为降低燃料电池内部传质现象复杂的计算提出了降低维数，计算时间及所需内存减低2至3个数量等级。J. Mor等将多个单电池的等效电路级联得到电池堆温度模型，引入非线性电阻使其适用于整个工作温度范围，其参数通过实验曲线拟合得到^[12]。在燃料电池温度系统模型中，G. Vasu等提出了面向控制的燃料电池集中参数模型，用于预测电堆、排出反应气体和冷却液出口的温度。J. Nolan等建立8阶非线性车用燃料电池温度系统的模型，用120kW燃料电池数据对模型进行了验证，提出了一种有效的降阶线性模型^[13]。K. Sedghisigarchi 将SOFC的非线性动态模型线性化，在此线性模型的基础上设计出了H∞控制器，使得系统在负载发生变化情况下，能通过改变输入燃料流速来调节电池的输出电压，同时将电池利用率控制在一定范围内，以起到保护电堆的作用^[14]。Amphlett等建立电堆的动态模型，仿真分析电堆启动、负载阶跃变化及电堆停止时电堆电压及温度的动态变化；Pathapati等通过建立系统动态模型，采用MATLAB/Simulink软件分析当负载电流变化时电压、阴、阳极通道内气体压力和流量的动态变化以及电堆温度随时间的动态变化规律^[15]。P. Auiar设计了一个主控制器和一个PID温度控制器，其中主控制器用于对SOFC电堆电流施加扰动，反馈PID温度控制器通过调节空气流速，将燃料出口的温度控制在期望值附近^[16]。在控制策略的设计上，基于模型预测控制，通过调节电流密度、燃料和空气的摩尔流量控制SOFC的输出功率、燃料利用率和电堆温度。在控制策略的实现上，目前通常的做法是将在仿真阶段得到的控制算法通过手工编程的方式转化为嵌入式微处理器或PLC等控制执行器能识别的代码，然后再由它们作用于被控对象^[17]。