燃料电池发动机

燃料电池发动机（精选十篇）

燃料电池发动机 篇1

零摄氏度以下储存与启动是车用燃料电池发动机系统走向商业应用的关键课题之一。在国家科技部“863”节能与新能源汽车重大专项课题的大力资助下，新源动力股份有限公司与中国科学院大连化物所联合进行了为期两年的车用发动机系统零下10℃低温启动项目的关键技术联合开发和试验。经过大量的试验和方案论证，项目研发人员终于掌握了燃料电池各种关键材料在低温环境下的特殊特性，调整了发动机系统材料组合、结构组合及控制策略。

2008年12月5日～6日大连冬天第一次降温至-9℃～-12℃，项目组人员在建成的燃料电池及氢源技术国家工程研究中心户外实验场地，进行了车用燃料电池发动机低温储存与启动的真实环境实验。经过14小时和38小时的连续冷冻式储存，项目组人员先后两次成功实现低温启动。经过验证，低温启动后的发动机系统输出性能稳定，电堆均一性良好。

燃料电池电极材料简述 篇2

By 小叶好的

摘要

本文分别简述了五种燃料电池的点击材料的发展状况。分别从质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、熔融盐燃料电池五种类型分别对电极材料进行简述，并结合最新的前沿研究对燃料电池电极材料进行简单的论述。关键词

燃料电池 正极材料 负极材料 电极 燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。一．质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。

在质子交换膜燃料电池中，电解质是一片薄的聚合物膜，例如聚[全氟磺]酸，和质子能够渗透但不导电的NafionTM，而电极基本由碳组成。氢流入燃料电池到达阳极，裂解成氢离子（质子）和电子。氢离子通过电解质渗透到阴极，而电子通过外部网路流动，提供电力。以空气形式存在的氧供应到阴极，与电子和氢离子结合形成水。在电极上的这些反应如下：

阳极：2H2→ 4H+ + 4e-

阴极：O2 + 4H+ + 4e-→ 2 H2O

整体：2H2 + O2→ 2 H2O + 能量

质子交换膜燃料电池的工作温度约为80℃。在这样的低温下，电化学反应能正常地缓慢进行，通常用每个电极上的一层薄的白金进行催化。

这种电极/电解质装置通常称做膜电极装配（MEA），将其夹在二个场流板中间便能构成燃料电池。这二个板上都有沟槽，将燃料引导到电极上，也能通过膜电极装配导电。每个电池能产生约0.7伏的电，足够供一个照明灯泡使用。驱动一辆汽车则需要约300伏的电力。为了得到更高的电压，将多个单个的电池串联起来便可形成人们称做的燃料电池存储器。

二．固体氧化物燃料电池

固体氧化物燃料电池属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。广泛采用陶瓷材料作阴极和阳极电极材料，具有全固态结构。陶瓷电解质要求中、高温运行（600～1000℃），加快了电池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备。

阴极材料目前已经有用柠檬酸络合法制备超细的钙钛矿型结构的固体氧化物燃料电池阴极材料La_(0.7)Sr_(0.2)Co_(0.1)CuO_(3-σ)(LSCC).选用合适的反应条件和煅烧温度制得所需要的材料后,用DSC-TG、XRD、SEM等对粉体进行物相测定和形貌观察;选用不同温度煅烧前驱体,得到不同比表面积的粉体材料,通过半干法工艺成型LSCC阴极材料并测试它在不同温度条件下的电性能.结果表明,溶胶凝胶-高温自燃烧法能制备出超细纯相的LSCC阴极材料,且该阴极材料在中温条件下使用具有良好的导电性能(不低于150 S/cm)和输出功率(0.85 W/cm~2)和较低的活化能(112.1 kJ/mol).最近,一些具有电子和氧离子混合传导的A2B2O5型复合氧化物成为人们研究的热点材料。这类材料主要包括层状钙钛矿结构,如LnBaCo2O5+δ(Ln为稀土元素)、LaBaCuFeO5+δ和YBaCuCoO5+δ等氧化物和钙铁石结构,如Ca2Fe2O5、La2Co2O5等氧化物[1～3]。由于具有良好的晶体结构、独特的电化学性能以及较高催化活性,这些氧化物在新材料开发方面得到了高度的重视[4,5]。有关A2B2O5型层状钙钛矿结构氧化物用于SOFC阴极材料的研究最近也有一些报道,并且表现出较好的电化学性能。Tarancón等报道了GdBaCo2O5+δ氧化物阴极材料在不同固体电解质上的电化学性能,发现当测试温度为700℃时,电极的极化电阻最小值为0.25Ω.cm2。同时,Kim等研究了PrBaCo2O5+δ阴极材料的氧扩散及表无机化学学报第25卷面交换性能,结果显示,在测试温度范围内该材料具有很好的氧扩散能力;同时,电化学测试结果显示,在较低的测试温度下(600℃),PrBaCo2O5+δ阴极材料具有较小的极化电阻(0.15Ω.cm2)。

三．磷酸燃料电池

磷酸燃料电池是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。正如其名字所示，这种电池使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于150-200℃左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同，但由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。

目前已经有ElectroChem电池，其标准电极是使用在碳纸上的10wt %，20wt % Pt/C或30wt% Pt/RU触媒.我们也有特别订制的电极可供选择。但是目前比较成熟的是，正极材料采用磷酸铁锂，正极集流体采用铝箔，导电剂选用超导炭黑、导电石墨的一种或两种混合物，正极材料粘结剂选用聚偏二氟乙烯；负极材料采用天然石墨或人造石墨，负极集流体采用铜箔，导电剂选用超导炭黑、导电石墨一种或两种混合物，负极材料粘结剂选用聚偏二氟乙烯或羧甲基纤维素纳、丁苯橡胶；正极片、负极片、隔膜经多层层叠卷绕制成圆柱形卷芯。本发明不仅容量大，而且可以大倍率放电。合成方法主要有二步法工艺和胶-凝胶法，二步法工艺先是将含铁、酸根的原料均匀混合，在较低温度下合成结晶程度较好的磷酸铁锂；然后将磷酸铁锂和复合导电剂(无机导电物与含碳导电剂前驱物)充分混和，在较高温度下经短时间热处理即可得到电化学性能优良的正极材料磷酸铁锂，获得的磷酸铁锂结晶性好，其与导电剂的界面作用强，使材料的锂离子和电子导电率高，并适合用于大倍率充放，本工艺原料为廉价化工产品，合成工艺简单，易于规模化生产，添加电子导电剂的方法独特，产品材料电化学性能优良。溶胶-凝胶法制备锂离子电池正极材料磷酸钒锂的方法。将五氧化二钒粉末加热到600-900℃，并恒温1-4h使其熔融后迅速倒入装有水的容器中形成棕红色溶液，然后往溶液中加入锂盐、磷酸盐和有机酸，混合均匀后，在惰性气体的保护下于400℃-700℃烧结5-20h，冷却后即为成品。

四． 碱性燃料电池

碱性燃料电池一般以碳为电极，并使用氢氧化钾为电解质。碱性燃料电池的电能转换效率为所有燃料电池中最高的，最高可达70%。

19世纪60年代初，中温碱性燃料电池被用于太阳神阿波罗太空飞船，标志着燃料电池技术成为民用。碱性燃料电池在太空飞行中的应用获得成功，因为空间站的推动原料是氢和氧，电池反应生成的水经过净化可供宇航员饮用，其供氧分系统还可以与生保系统互为备份，而且对空间环境不产生污染。

20世纪90年代以来，众多汽车生产商都在研究使用低温燃料电池作为汽车动力电池的可行性。由于低温碱性燃料电池存在易受CO2毒化等缺陷，使其在汽车上的应用受到限制，因此，除少数机构还在研究碱性燃料电池外，大多数汽车厂商和研究机构都在质子交换膜燃料电池（PEMFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）上寻求突破。然而PEMFC和DMFC都以贵金属Pt为主催化剂，一旦PEMFC和DMFC达到真正的批量生产阶段，将被迫面临Pt的匮乏。碱性燃料电池可以不采用贵金属作催化剂，如果采用CO2过滤器或碱液循环等手段去除CO2，克服其致命弱点后，用于汽车的碱性燃料电池将具有现实意义。因此，碱性燃料电池领域近年的研究重点是CO2毒化解决方法和替代贵金属的催化剂。

最近的研究表明，CO2毒化问题可通过多种方式解决，如通过电化学方法消除CO2，使用循环电解质、液态氢，以及开发先进的电极制备技术等。德国的Gulzow,E.等人2004年研究发现：当电极采用特殊方法制备时，可以在CO2含量较高的条件下正常运行而不受毒化。在电极制备中，催化剂材料与PTFE 细颗粒在高速下混合，粒径小于1μm的PTFE小颗粒覆盖在催化剂表面，增加了电极强度，同时也避免了电极被电解液完全淹没，减小了碳酸盐析出堵塞微孔及对电极造成机械损害的可能性。香港大学倪萌等人2004年提出使用氨（NH3）作为氢源在碱性燃料电池上使用将具有较好的发展前景。氨在室温下仅需8～9MPa就可被液化，不需较高能量消耗，且价格低，已有比较完善的生产、运输体系。氨具有强烈刺鼻的气味，其泄漏很容易检测。氨的爆炸范围比较小，仅15%～28%（体积比），相对安全。在碱性燃料电池使用中，只需在燃料入口增加一个重整器，将NH3分解为N2 和H2 即可。NH3的使用为碱性燃料电池的应用展开了一片较好的前景。

在替代贵金属的催化剂方面，近年的研究集中于：如何在非贵金属催化剂的稳定性和电极性能方面取得突破，开发与贵金属复合的多元催化剂，以及提高贵金属利用率、降低贵金属负载量等。基于纳米材料的电催化剂的应用研究是该领域近年的发展方向之一，纳米材料具有大比表面积、优良的导电性，在强碱液中表现出良好的耐蚀性，碳纳米管（CNTs）可作为碱性燃料电池中H2氧化反应的催化剂或催化剂载体。2000年，印度的N.Rajalakshmi等人采用直流电弧放电法制备单壁碳纳米管，经过加热、纯化、浓硝酸处理过后的碳纳米管具有类似于金属氢化物的催化活性。将其与铜粉按比例混合后制备的工作电极的电化学性能稳定、效率较高。2007年，日本汽车商Daihatsu宣布开发出一款无铂的碱性燃料电池。该技术适用于小型、有限范围的汽车，对性能和耐久性的要求不像大型汽车那么严格，但该技术还处于初级阶段，近期不会有商业化产品。

近年来，国际研究者在CO2毒化解决方法和替代贵金属的催化剂方面取得的研究进展，为低温碱性燃料电池的汽车应用创造了可能性。

五． 熔融碳酸盐燃料电池

熔融碳酸盐燃料电池以熔融碱金属碳酸盐的混合物组成低共熔体系作电解质，以氧化镍为正极、镍为负极的一种燃料电池。其燃料用氢和一氧化碳，氧化剂为空气。

1、阳极

MCFC的阳极催化剂最早采用银和铂，为降低成本，后来改用了导电性与电催化性能良好的镍。但镍被发现在MCFC的工作温度与电池组装力的作用下会发生烧结和蠕变现象，进而MCFC采用了Ni-Cr或Ni-Al合金等作阳极的电催化剂。加入2%~10%Cr的目的是防止烧结，但Ni-Cr阳极易发生蠕变。另外，Cr还能被电解质锂化，并消耗碳酸盐，Cr的含量减少会减少电解质的损失，但蠕变将增大。相比之下，Ni-Al阳极蠕变小，电解质损失少，蠕变降低是由于合金中生成了。

2、阴极

熔融碳酸盐燃料电池的阴极催化剂普遍采用氧化镍。其典型的制备方法是将多孔镍电极在电池升温过程中就地氧化，而且部分被锂化，形成非化学计量化合物，电极导电性极大提高。但是，这样制备的NiO电极会产生膨胀，向外挤压电池壳体，破坏壳体与电解质基体之间的湿密封。改进这一缺陷的方法有以下几种：

（l）Ni电极先在电池外氧化，再到电池中掺Li;或氧化和掺Li都在电池外进行；

（2）直接用NiO粉进行烧结，在烧结前掺Li，或在电池中掺Li:

（3）在空气中烧结金属镍粉，使烧结和氧化同时完成；

（4）在Ni电极中放置金属丝网（或拉网）以增强结构的稳定性等等。

参考文献：

燃料电池探秘 篇3

原电池原理分析原电池发生的反应都是自发进行的释放能量（这样化学能才有可能转化为电能）的氧化还原反应且不能是歧化反应，因此只要一个释放能量的氧化还原反应能够自发的发生，并且它的氧化剂和还原剂不是同种物质，那么就可以将该反应设计成一个原电池，其中氧化剂在正极得到电子发生还原反应，而还原剂做负极或者在负极上发生失去电子的氧化反应，这是原电池反应的本质！学习原电池的相关知识时必须抓住这一点才能进行正确的分析和解答。

燃烧反应常见的燃烧反应正是一类释放能量的自发进行的氧化还原反应，并且还原剂（燃料）和氧化剂（助燃剂）不是同种物质，这就具备了原电池反应的基本条件。只是能量转化的类型不同——燃烧反应是将化学能转化为热能和光能，而原电池反应是将化学能转化为电能。常见的燃烧反应有：氢气、一氧化碳、甲烷等气态烃、甲醇等燃料与氧气的燃烧反应以及氢气与氯气的燃烧反应等。

燃料电池涉及燃料电池的试题实际上考察的仍然是原电池的基本知识，同学们之所以感觉到这种题型难解答，无非是燃料电池的电极反应式的书写形式易出错，解决这一难题的关键就在于如何将燃料的燃烧反应拆分成两个“半反应”：一个“半反应”是燃料（即还原剂）的氧化反应，另一个“半反应”是助燃剂（即氧化剂）的还原反应。但是由于燃料电池种类不同，电池内部的电解质的性质不同，都会造成原电池的电极反应不一样，并不是简单的将原来的燃烧反应方程式拆分成两个“半反应”就行。而应该根据题目给出的实际背景进行合理的分析，写出两个比较完整的“半反应”的电极反应式！而所谓的完整，是指不仅要考虑燃料和助燃剂失或得电子前后的变化，而且还要考虑产物是否与电解质或水发生反应。燃料电池一般使用多孔石墨等惰性电极，故电极本身一般不参与反应。下面就氢氧燃料电池进行简要的示例分析！

氢氧燃料电池工作时在负极失电子的是氢气：H2－2e－→2H＋；在正极得电子的是氧气：O2＋4e－→2O2－

1.以KOH的水溶液作为原电池的电解质溶液时，H2在负极发生氧化反应时生成的H＋一定与电解质溶液中的OH－发生反应，同时O2在正极发生还原反应时生成的O2－也要与H2O发生反应，因而完整的电极反应式应该是：

负极2H2－4e－＋4OH－→4H2O 正极O2＋4e－＋2H2O→4OH－

2.以H2SO4的水溶液作为原电池的电解质溶液时，H2在负极发生氧化反应时生成的H＋不再与电解质溶液反应，但O2在正极发生还原反应生成的O2－要与电解质溶液中的H＋发生反应，因而完整的电极反应式应该是：

负极2H2－4e－→4H＋正极O2＋4e－＋4H＋→2H2O

3. 以Na2SO4的水溶液等中性盐溶液作为原电池的电解质溶液时，负极反应式与上述2的相同，正极反应式与上述1的相同，电极反应式为：

负极2H2－4e－→4H＋ 正极O2＋4e－＋2H2O→4OH－

4.如果以可以传导O2－的氧化物作为电池内部的导电物质，电极反应式应该是：

负极2H2－4e－＋2O2－→2H2O正极 O2＋4e－→2O2－

5.如果以可以传导质子（即H＋）的固体物质作为电池内部的导电物质，电极反应式应该是：负极 2H2－4e－→4H＋正极O2＋4e－＋4H＋→2H2O（H＋在负极生成向正极移动，生成的H2O为气体）

6.如果以熔融的K2CO3作为电池内部的导电物质，电极反应式应为：

负极2H2－4e－＋2CO32－→2H2O＋2CO2

正极O2＋4e－＋2CO2→2CO32－（这种情况，正极通入的是O2和CO2的气体混合物）

由上述分析可见，电极反应式的书写形式随着电池内部使用的导电材料的改变而不同，但无论是哪种情况，电池的总反应都是：2H2＋O2＝2H2O（注意：千万不要写上“燃烧”二字作反应条件！）即电池反应的本质是不变的，改变的只是电极反应式的表达形式而已。

燃料电池发动机 篇4

1 FCV的发展现状

1.1 国外发展情况

近年来,FCV正受到各大经济体的重视。在美国,FCV曾被美国总统布什作为“氢经济”论的“法宝”而大肆宣传。2008年,福特公司宣布发展清洁动力技术,以氢FC为最终目标。在日本,经济产业省已经对FCV的发展规定了时间表,其目标是到2020年日本的FCV达到200万辆,到2030年,FCV全面在日本普及,并斥巨资开发以天然气为原料的液体合成燃料技术、车用电池以及氢FC技术。在欧洲,欧盟也早在2008年夏天就斥资10亿用于FC和氢能源的研发,欧盟此举旨在把FC和氢能源技术发展成为高新技术,在世界新能源领域处于世界领先地位。

目前,许多国外的汽车公司已经推出了自己的FCV。图1为奔驰汽车公司的奔驰B级燃料电池车,可以在-25℃的情况下轻松启动,在短时间内迅速达到80℃的理想工作温度。

韩国现代汽车公司也相继推出了几款燃料电池汽车,其中具有代表性的是第二代(Tucson FCEV)和第三代(Tucson ix FCEV)燃料电池汽车。图2为韩国现代ix35氢燃料电池车,图3所示为该公司的第二代燃料电池公交车。

图4为美国通用汽车公司2001年推出的氢动三号汽车(Hydrogen3),在2010年上海世博会期间进行了将近百辆的示范运行。

1.2 国内发展情况

我国的燃料电池研究始于1958年,原电子工业部天津电源研究所最早开展了燃料电池的研究。70年代在航天事业的推动下,中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮[2]。“九五”和“十五”期间,国家都把FCV及相关技术研究列入科技计划,国家863计划和973计划都设立了许多与此相关的科研课题。“十五”国家重大科技专项之一的“电动汽车专项”将FCV列为重要内容。“十一五”国家继续支持“节能与新能源汽车”,包括FCV的研究。

在燃料电池领域我国虽然起步较晚,但充分发挥后发优势,与先进水平的差距正在缩小,并且相继推出了一些燃料电池车型。2003年我国第一辆燃料电池动力样车—超越一号亮相上海国际工业博览会。随后,同济大学继超越一号后又研制出超越二号、超越三号,如图5所示。超越二号参加了国际必比登清洁汽车挑战赛,经测试,超越二号在污染排放、CO2排放、噪声、蛇行和燃料经济性方面达到A级水平。超越三号2006年也参加了该挑战赛,取得了不俗的成绩。上海汽车把超越系列汽车的燃料电池动力系统搭载在荣威轿车上,产生了上海牌氢燃料电池汽车,如图6所示。超越系列燃料电池车的主要技术参数如表1所示。

近年来,国家进行了若干次FCV的试运行。奥运会期间,3辆氢燃料电池大客车为奥运会服务。清华大学的邓学等[3]对其运行数据进行了相关研究,研究发现氢燃料电池大客车具有经济性高、能量转换效率高等优点[3]。2010年世博会期间,进行了千辆级的新能源车示范运行,其中196辆FCV,包括90辆燃料电池轿车,6辆燃料电池客车和100辆燃料电池观光车。2009年,科技部、财政部、发改委、工业和信息化部共同启动了“十城千辆”工程,目标是通过政府补贴,用3年左右的时间,每年发展10个城市,每个城市推出1000辆新能源汽车开展示范运行,南通市为示范城市之一,笔者通过跟车试验,亲身感受了几种新能源车的不同特点。

2 VFC目前存在的问题

目前,国际上最著名的燃料电池公司要数加拿大的巴拉德(Ballard)公司,该公司的产品主要应用于备用电源、分布式发电、物料搬运(叉车等)、公交车等,巴拉德公司生产的应用于公交车的有型燃料电池。国内燃料电池生产厂家主要有上海神力科技有限公司、北京飞驰绿能电源技术有限责任公司、上海燃料电池汽车动力系统有限公司等。

虽然经过多年的发展,但VFC仍然处于起步阶段,还存在着一些有待解决的问题。

2.1 VFC启停衰减问题

燃料电池作为FCV的动力来源,使用燃料电池直接驱动电动机,不同于传统的内燃发动机,当汽车需要立刻启动或加速时,唯一的办法就是增大燃料极和空气极的流量以提高电池的输出功率。由于FCV主要用于市区交通,运行的速度不高,而且需要频繁的变速,因此用燃料电池来直接驱动电动机,频繁的启动或者改变燃料极和空气极的流量对燃料电池的性能是一种很大的伤害,对其寿命有很大的影响。目前,车用燃料电池主要是质子交换膜燃料电池(PEMFC),PEMFC的频繁启停导致性能衰减的问题,已成为其耐久性研究的一个热点,如何减小启停中电池的衰减也是亟待解决的问题。对启停过程催化剂等关键材料的腐蚀机理的了解是基础,而对于车载PEMFC发动机来说,设计合理的启停程序或者合理的保护装置才是减少启停过程燃料电池衰减的根本措施[4,5]。

2.2 燃料电池组散热

燃料电池是FCV的核心,而燃料电池中质子交换膜是核心部件,其性能的好坏直接影响到电池的性能和寿命。与蓄电池不同,燃料电池内部的化学反应具有不可逆性,大约50%左右的能量耗散掉了,这一部分能量聚集在电池内部使其温度升高[6]。高温会对质子交换膜造成破坏,从而缩短燃料电池的使用寿命。不同于内燃机,燃料电池一般热量辐射出去少,使燃料电池冷却变得很困难。

同济大学的许思传等[6]对FCV散热系统进行了设计,上海燃料电池汽车动力系统有限公司的周奕等[7]也对FCV散热系统进行了研究。主要从三个方面:增大进气风速。采用两个800W的风扇,较好地解决了散热问题,但是附属设备的功耗增加了;(2)增大散热面积。采用了散热器分开布置的方式,有效地解决单块大散热器不易布置的问题,但是同样也面临着布置这些散热器所面临的空间不足以及进气口处理的问题;(3)改变散热器的位置。将冷凝器置于散热器之后,有效地降低散热器气侧的温度,有利于电堆的散热[5]。

2.3 VFC的防冰冻问题

燃料电池不能在零度以下正常起动是阻碍FCV商业化的主要障碍之一。由于燃料电池内部有水,且多用水循环方式冷却,当外部气温低于零度时,停止工作的燃料电池变冷,内部的水便结成冰,导致气道受阻,启动变慢,且水结冰后体积变大,可能产生足以破坏燃料电池内部部件的应力。

詹志刚等[8]对PEMFC冷启动及性能衰减进行了实验研究,实验表明多次冰点以下启动后,电池性能明显衰减且不可活化恢复;催化层表面出现龟裂,并有凹坑。电池性能不可逆劣化和电压的衰减均因水在电池内部发生冻结,导致了结构上的损伤。由于燃料电池内部的水主要在阴极生成,因此对阴极的扩散层产生了严重的影响。重复的结冰和启动,导致催化剂颗粒严重脱落,催化面积大为减小,催化剂的催化能力严重丧失,极大地影响了燃料电池的性能[8]。

2.4 大气污染对燃料电池性能的影响

目前大多数燃料电池使用贵金属Pt作为催化剂,工作温度较低,对燃料(氢气)和氧化剂中存在的杂质气体比较敏感,会严重影响到燃料电池的工作性能。此外,作为刚刚起步的FCV,目前必须与传统内燃机汽车一起运行,传统汽车排放的尾气势必将加重这种不利影响。大气中的主要污染性气体有氮氧化合物NOX和CO。

杨代军、马建新等[8]通过建立燃料电池测试平台对NOX和CO对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响进行了研究,实验结果表明,当通入NOX后,电压在短时间内由0.68V迅速下降到0.35V。此外还进行了NOX对单体电池性能影响可逆性实验,停止通入NOX后电压可以基本恢复,表明NOX对单体电池的影响具有可逆性。在研究NOX对电池阻抗影响时发现,NOX导致了电池阻抗的变大,当用纯净空气吹走NOX后,阻抗基本得到了恢复。在研究CO通入阴极对电池性能的影响时发现电池的性能没有明显下降,表现出了良好的耐受性,这与阳极在CO浓度为10-5(体积分数)时就出现性能大幅降低截然不同,这主要是因为Pt同时也是O2和CO反应的良好催化剂,CO没有吸附在Pt表面造成催化剂中毒[9]。

2.5 车用燃料电池的控制系统

燃料电池作为FCV的核心,频繁启停将造成燃料电池性能衰减,输出功率频繁变化也会对燃料电池的性能造成很大破坏,因此设计减小这种不利影响的燃料电池控制系统是必要的。目前,蓄电池是使用最多的FCV辅助电源,合理高效的燃料电池/蓄电池能量管理将决定整车的性能。

陕西理工学院李志峰[10]采用功率跟随模式,对燃料电池/蓄电池混合动力电动汽车能量控制策略进行了基于ADVI-SOR软件的仿真研究,结果表明功率跟随模式控制策略能使蓄电池和燃料电池始终处于一个最佳工作状态,并可以延长其使用寿命[11]。清华大学何彬、卢兰光等[11]对燃料电池混合动力汽车能量控制策略进行了研究,提出了3种动力系统能量控制策略:恒压控制、离线能量分配控制、在线能量分配控制,并对这3种策略进行了仿真,结果表明离线分配的控制效果优于恒压控制,更接近于在线分配控制,但存在一定的震荡,在线分配控制保证SOC在最佳工作区域。此外,在CBD14循环工况下仿真实验了有无再生制动的燃油经济性,结果显示带有制动反馈的再生能量回馈总量约占燃料电池发动机输出能量的20%左右,极大地提高了整车的燃油经济性[11]。

2.6 振动对VFC的影响

VFC工作环境与普通燃料电池的不同之处在于振动。燃料电池电堆是由单电池通过连接组成,振动会对单电池产生不良影响,缩短使用寿命。

同济大学的许思传、周定贤等[12]对金属流场板燃料电池进行了100h振动可靠性试验,通过对单电池电压的分析,发现该金属流场板燃料电池单电压一致性下降[12]。

华南理工大学的于学华[13]采用移频减振原理对燃料电池发动机反应堆悬置刚度和阻尼进行了优化设计,避开路面不平度引起的1.2Hz到1.8Hz的低频激振,以及由前桥引起的12Hz到14Hz的激振,设计方法可以达到对燃料电池发动机反应堆进行隔振的设计要求[13]。

2.7 燃料储备

燃料电池的燃料主要有氢气、甲醇等,其中氢气的存储最为困难[14,15,16],这里主要说明氢燃料电池的燃料储存问题。

2.7.1 高压气态存储

普通高压气态储氢是目前应用最广泛储氢方式,简便易行而且成本较低,充放氢迅速,且在常温下就可进行[17]。目前,由于钢瓶材料的限制,储氢压力通常不高于20MPa,因此钢瓶的质量储氢密度仅为1%左右。

FCV作为交通工具,要具有长途续航能力,还要经受各种路况,因此高压气态存储有待进一步发展,应着重从两个方面着手:第一,寻找高强度的钢瓶合金材料,提高钢瓶单位质量的储氢量;第二,提高高压氢气存储的安全性。

2.7.2 金属氢化物储氢

金属氢化物储氢是刚发展起来的储氢技术,目前应用正在逐步增多,其原理是把氢气以金属氢化物形式储存在合金中。目前,常用的储氢合金和纯金属主要有Mg、FeTi、MgNi等,其中以Mg的质量储氢密度最高,达到了7.65%;其次是MgNi,达到了3.6%。通过比较发现,通过金属氢化物储氢可以得到相对于高压气态储氢较高的质量储氢密度,而且也相对安全一些。但是储氢合金的储氢条件较为苛刻,放氢需较高的温度,吸放氢动力学性能差,储氢量相对较低,但合金类储氢材料较易大规模生产,成本较低[13],因此综合考虑,金属氢化物储氢的应用前景很广[18]。

3 VFC的发展展望

未来VFC的发展将主要集中在以下几个方面:

(1)新型燃料电池催化剂的研究

目前燃料电池所用的催化剂为金属Pt,为稀有金属,导致燃料电池成本居高不下。同时,全球Pt产量有限,若FCV大量生产,将是一个问题。因此,研究开发新型催化剂以替代金属Pt是现在及将来燃料电池发展所面临的重要课题。

(2)水循环及热管理系统

燃料电池的工作性能对温度的变化比较敏感,目前多使用循环水来控制燃料电池温度,车用燃料电池的工况变化较频繁,相应的温度也起伏不定,所以冷却系统必须保证燃料电池工作在最佳温度区,因此,设计良好的水循环冷却系统是发展FCV必须克服的问题,以及寒冷地区电池结冰问题。

(3)提高燃料电池寿命

首先,改进车身结构,特别是减震系统,以减轻电池振动;其次,采用合理的动力混合方式,扬长避短;同时,研究新的控制方式,以改善频繁变化的运行状况对电池性能和寿命的影响[19]。

4 结语

FCV作为现代科技的产物,目前还存在一些有待解决的问题。技术方面,虽然在不断进步,但是还远没有传统内燃机汽车完善,有待技术突破;在市场方面,FCV在中国刚起步不久,了解的人相对较少,而且成本很高,目前市场相对较小。

当前FCV虽然还面临着一些问题和挑战,但作为新生事物,FCV有着巨大的优越性,如无污染物排放、无振动、无声行驶等,是传统内燃机汽车所不具备的,这些都是FC赋予汽车的,而且目前FCV在许多方面正慢慢赶上传统汽车。相信随着科技的进步,国家的扶持,许多技术瓶颈都将得到解决,FCV技术将会越来越完善,更多的人将会了解并接受它,前景也会更加广阔。

摘要：燃料电池汽车作为一种新能源汽车,经过多年的发展,各个方面均取得了显著的进展。通过对燃料电池、燃料电池汽车发展现状的综述,总结了车用燃料电池(Vehicle Fuel Cell,VFC)的发展现状,以及目前VFC发展过程中所遇到的问题,简要概括了这些问题的研究进展,并对燃料电池汽车未来的发展做出展望。

微生物燃料电池讲稿 篇5

这是我今天展示的四个部分，首先是细菌发电的技术原理，（以电池为例）

一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。

与其他类型燃料电池类似，微生物燃料电池的基本结构为阴极池和阳极池。根据阴极池结构的不同，MFC 可分为单池型和双池型2 类;根据电池中是否使用质子交换膜,也可分为有膜型和无膜型2 类;根据电子传递方式的不同，又可分为直接型和间接型2 类。（其中单池型MFC 由于其阴极氧化剂直接为空气，因而无需盛装溶液的容器;无膜型燃料电池则是利用阴极材料具有部分防空气渗透的作用而省略了质子交换膜。直接型MFC 采用的产电细菌具有将氧化产生的电子传递到阳极的能力。）

这张图是传统微生物燃料电池的结构图，这一张图上大家可以看到细菌在这个流程中的作用。

但是细菌并不是只有靠着电极才可以发电，但是科学家发现有些可以产生电流的细胞如地杆菌在细胞外长有长长的、纤细的丝。试验证明细菌的这些细长的丝是它们纯天然的“电线”，实现细菌远距离发电。

常见产生电流的菌种：希瓦氏菌，铁还原红育菌，硫还原泥土杆菌

这种电池的原料广泛，可以是糖类，包括葡萄糖以及果糖、蔗糖，甚至从木头和稻草中提取出来的含糖副产品的木糖等，都可以充当细菌发电的原料。细菌发电所用的糖完全可以用诸如锯末、桔秆、落叶等废有机物的水解物来替代，也可以利用分解化学工业废物如无用聚合物来发电。

重金属，利用重金属做为原料，是指利用一种能去除地下铀污染物的细菌来发电。科学家们破解了这种能吞噬金属的地下细菌的基因图谱，称它有100多个基因能够使金属发生化学变化，使之产生电能。这种地下细菌的基因组中有100个或更多的基因，能编码不同的C型细胞色素，还具有能来回移动电子的蛋白质。这种细菌能在深层地下水中产生电能，这比先前预计的清洁环境的用处更大。

有机污水，利用生活污水发电设备也可以发电，它是利用在淡水池塘中常见的一种细菌来连续发电的。这种细菌不仅能分解有机污染物，而且还能抵抗多种恶劣环境。节省能源，有利环保。科学家说，利用这种污水发电机，将会有那么一天，能使从马桶冲下去的秽物成为家中照明用电的来源。

啤酒废料，在中国和泰国曾经有过把稻谷和甘蔗的废料制造成能源的案例。同样的程序或许可以用于开发酿酒的废料，而且制造的能源还能用于酿酒。酿造啤酒消耗的能源很多，先要用热水和蒸气煮原料，然后用电使其冷却。湿谷物和废水倒入酵桶中，发酵桶装了可以分解有机化合物的细菌，这样就可以制造沼气，然后把发酵桶中产生的沼气和干煤泥用于烧水和生产高压力的蒸气，而这又能推动涡轮发电。

接下来是发展历史，1786年，意大利医生及物理学家伽凡尼在青蛙腿上发现了“动物电” , 从而把电与代谢过程联系了起来。

1910年英国植物学家马克•皮特首先发现有几种细菌的培养液能够产生电流。于是他以铂作电极，放进大肠杆菌或普通酵母菌的培养液里，成功地制造出世界上第一个细菌电池。波特尔直觉地认识到, 这种微生物燃料电池的电子是由微生物的食物降解产生的。他无法用当时仅仅属于想象的代谢过程的生化原理来解释他的实验结果。但当时的科学界并没有因此而畏缩不前。后来, 微生物学家和酶学象南明了细菌中的酶是如何氧化其食物的。那时波特尔的微生物燃料电池己基本被遗忘了。

1913年，剑桥大学的柯恩复活了波特尔的思想。他记述了微生物燃料电池的电池组产生3 5伏以上电压的情况。

本世纪六十年代，美国国象航空和航天管理局曾支持许多生物电的研究计划, 如把有机垃圾转化为电流的方法。

直到宇航世纪的来临和出现一石油圆乏, 才重新引起对这一课题的注意。1984年，美国科学家设计出一种太空飞船使用的细菌电池，其电极的活性物质是宇航员的尿液和活细菌。不过，那时的细菌电池放电效率较低。

2002年后，随着直接将电子传递给固体电子受体的菌种的发现，人们发明了无需使用电子传递中间体的微生物电池，其中所使用的菌种可以将电子直接传递给电极。

MFC技术的应用前景正在不断拓展中。例如，将MFC阳极插入海底(河底、湖底)沉积物中,阴极置于临近海水中，则可收集到天然的、由微生物代谢产生的海底电流,这可为各类海洋监测仪器提供电源.此外，MFC技术还可用于生物修复,例如在有高浓度有机物污染的地点(如石油污染),可置入MFC阳极完成对有机物的氧化。

应用领域，替代能源，随着工业经济的发展、人口的剧增、人类欲望的无限上升和对自然资源无节制地大规模开采，全球能源消费急剧增加。这不仅使世界能源供应面临严重危机，而且二氧化碳的过度排放导致全球气候变暖，对人类社会的可持续发展构成严峻挑战。微生物发电细菌工艺也会产生二氧化碳等对空气造成污染的物质，但与使用矿物燃料所排出的废气相比，它对全球变暖的危害要低得多，在某种程度上可以是被称作清洁能源的。而且在死海和大盐湖里找到一种嗜盐杆菌，它们含有一种紫色素，在把所接受的大约10%的阳光转化成化学物质时，即可产生电荷。科学家们利用它们制造出一个小型实验性太阳能细菌电池，结果证明是可以用嗜盐性细菌来发电的，用盐代替糖，其成本就大大降低了。由此可见，让细菌为人类供电已不是遥远的设想，而是不久的现实。

污水处理，以有机污水为燃料、回收利用污水中有机质的化学能-一直是MFC 研究中的主要目的,但在研究中,对于MFC处理后污水水质的监测结果使研究人员对以MFC 工作原理为基础，开发新的污水处理工艺产生了浓厚兴趣。2004 年，研究发现，直接用以空气为阴极的MFC处理生活污水，COD 去除率达到80%。值得注意的是,MFC 在厌氧降解有机物的同时，污水PH 保持中性，且溶液中没有常规厌氧环境发酵产生的CH4和H2等。因此，MFC 可以作为污水的常规处理手段，去除率可以达到与一般厌氧过程同样的效果，但MFC 不会使污水水质发生酸化，也不会产生具有爆炸性的危险气体，因此具有很好的开发前景。

微生物传感器，BODS被广泛用于评价污水中可生化降解的有机物含量，但由于传统的BOD测定方法需要5天的时间，因此,出现了大量关于BOD 传感器的研究,以MFC 工作原理为基础的BOD传感器的研究也是研究人员关注的焦点。利用MFC 工作原理开发新型BOD传感器的关键在于:1电池产生的电流或电荷与污染物的浓度之间呈良好的线性关系;2电池电流对污水浓度的响应速度较快;3有较好的重复性。

恶劣环境能量供应，细菌发电也可用于其他环境条件下，比如在充电条件困难以及成本高的情况下。使用这项技术为监视过往船只及潜艇的水下扩音器和声呐提供动力。通过这项技术，动物粪便或污水等含有碳水化合物的废物，都能为电冰箱和炉子提供电力，可以为生活在偏远地区的人带来帮助。

航天领域，飞向宇宙是技术发展方向的必然方向，宇宙是人类未来的主要资源来源。目前载人飞船上天，宇航员在太空飞行中的排泄物要被带回地球。如果有朝一日人类能踏上火星，那么往返火星与地球之间就需要四年的时间。粗略估算，在此期间，6名宇航员将会“制造”出6吨多的排泄物垃圾。这些废物垃圾该如何处置呢？日前科学家正在研究出利用“泥菌”属微生物将这些太空垃圾变废为宝。即让“泥菌”属微生物“吃下”人类的排泄物，产出来电能。

最后就是科学家们对这种技术的展望了，实现微生物的大规模发电，应对能源危机，也可以降低国家对产油国的依赖。食物喂养机器人，可以最大限度的放开机器人的自主权，未来的微型机器人行星探险家将采用有效而可靠的微生物燃料电池，无需科学家进行干预。

国外燃料电池汽车发展 篇6

氢燃料电池汽车与电池电动汽车（纯电动汽车，BEV）类似，因为它们也是使用高电压电动机推动车辆。然而，不同于电池电动汽车，燃料电池汽车配备了氢燃料罐（或燃料箱）和燃料电池系统，以产生电力来驱动电动机。因此，燃料电池汽车使用车载燃料罐中存储的氢气，加油（加注氢气）只需要几分钟；而电池汽车是依靠存储在高压电池中的电能供电。所以，燃料电池汽车能够提供电池电动汽车那样的环境效益，但它们行驶范围更长，而加油时间更短。

2014年11月的洛杉矶车展开幕之前，丰田公司在Newport海滩的新闻发布会上揭开了Mirai燃料电池轿车的神秘面纱，成为了当时最大的绿色汽车新闻。这款300英里里程范围的汽车将会于2015年秋季在美国的加利福尼亚州上市。丰田公司估计，到2015年底，美国公路上将有200名驾驶着Mirai的司机，而到2017年底，这一数字将累计达到3000。

本文将首先介绍燃料电池汽车的性能及优势，随后指出其发展所面临的挑战及和各国的一些推广支持政策，最后介绍最新的相关技术发展，以期让读者更好地了解燃料电池汽车，并为我国发展燃料电池汽车提供借鉴。

燃料电池汽车的主要性能

燃料电池汽车（fuel cell vehicle，FCV）或者燃料电池电动汽车（fuel cell electric vehicle，FCEV）是一种使用燃料电池为其车载电动机供电的汽车。燃料电池不需要充电，而是可以通过加注氢气实现再充满。使用氢的燃料电池汽车只排放水和热，没有尾气污染物，因此被认为是零排放车辆。但实际上，除非氢燃料电池中使用的氢是通过可再生能源生产的，否则生产氢气就一定会产生污染物。

同时，燃料电池汽车也相当注重安全性。通过满足由汽车工程师协会（Society of Automotive Engineers）和其他标准发展组织设定的标准，汽车制造商致力于让燃料电池电动汽车与传统汽车同样安全，甚至是更安全。燃料电池电动汽车有必要的安全系统，设计用于在意外发生时保护乘客和急救人员。最重要的是，燃料电池电动汽车与常规车辆一样，要达到国家公路交通安全管理局（National Highway Traffic and Safety Administration）设立的安全要求。

燃料电池汽车从外面看起来很像传统车辆，但里面却包含着在今天的车辆中无法找到的高科技组件。最明显的区别燃料电池组，它能将存储在车中的氢气与空气中的氧气转化为电能，驱动用来推动车辆的电动机。典型的燃料电池汽车的主要组件包括电动机（Electric Motor，能比内燃机更安静、平稳和高效地驱动车辆，而且需要较少的维护）、燃料电池组（Fuel Cell Stack，将氢气和氧气转换为电，为电动马达提供电力）、高输出电池（High-output Battery，存储由再生制动产生的能量，并为电动马达提供补充电力）、储氢罐（Hydrogen Storage Tank，储存在极高压力下压缩的氢气以增加行驶里程范围）和功率控制单元（Power Control Unit，控制电流）。氢燃料电池汽车的主要性能描述归纳总结如下表。

燃料电池汽车的优势

燃料电池汽车在两个关键领域领先创新：一是能源基础设施，可促进氢社会；二是可持续的移动性，可克服全球环境和能源问题。

为什么当今燃料经济非常重要呢？首先，它可以省钱，选择能够满足需求的最有效的车辆，每年可以最多节约1400美元的燃油费用；其次，它可以减少气候变化，因为燃烧汽油和柴油所产生的二氧化碳都会导致全球气候变化；再次，它可以降低石油依赖度成本，因为对石油的依赖会使经济容易受到石油市场操纵和价格冲击的影响；最后，它能够提高能源的可持续性。因为石油是一种不可再生资源，因此我们不可能无限期维持现有的利用率，现在明智地使用它能够让我们有时间找到更具持续性的替代技术和燃料。

正因为如此，燃料电池汽车具有内在的优势。

首先，使用燃料电池汽车可以减少温室气体排放量。以汽油和柴油为动力的车排放主要成分为二氧化碳的温室气体（GHGs），导致全球气候变化。以纯氢为动力的燃料电池汽车不排放温室气体，排放的只有热和水。取决于不同的生产方法，生产燃料电池汽车所需的氢会产生温室气体，但是远少于传统的汽油和柴油车辆排放。即使燃料来自最肮脏的氢气来源——天然气，与汽油动力汽车相比，今天的早期燃料电池汽车也能减少超过30%的温室气体排放量。而未来的可再生燃料标准（例如现在加利福尼亚州的要求）将会让氢气更清洁。

其次，推广燃料电池汽车能够减少对石油的依赖。之所以如此，是因为氢可以产自国内资源，如天然气和煤炭，以及水、沼气和农业废弃物等可再生资源。这将减小本国经济对其他国家的依赖性，并且更不易受到日益动荡的石油市场中的油价冲击。

再次，使用燃料电池汽车会产生较少的空气污染物。在美国，空气中的烟雾和有害颗粒物等很大一部分是来自于公路车辆排放的污染物。而以纯氢为动力的燃料电池汽车不会排放有害污染物。如果氢气产生自化石燃料，会产生一些污染物，但远小于传统汽车尾气排放量。

氢燃料电池汽车具有双重优势，它既有传统汽车的行驶范围和加油过程，同时又有以电力为动力的驾驶的娱乐性和环境优势。因此，燃料电池汽车不仅仅是环保车，它也非常有驾驶乐趣，并能提供便利性和高性能。

除了私家车和公司用车，目前还有超过100辆燃料电池公共汽车部署在全世界，加拿大惠斯勒（Whistler）、美国旧金山、德国汉堡、中国上海、英国伦敦、巴西圣保罗以及其他一些城市都有。与柴油公共汽车和天然气公共汽车相比，燃料电池公共汽车的燃油经济性高出约30%～141%。

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燃料电池汽车所面临的巨大挑战

2014年，气候博客人、前美国能源部官员Joseph Romm用三篇文章来批评氢燃料电池汽车。他说，燃料电池汽车仍然没有解决以下问题：车辆的高成本、燃料的高成本，以及缺乏燃料输送基础设施。实际上，要让燃料电池汽车成为消费者眼中成功的、有竞争力的选择，必须要克服下面所列出的各方面的挑战。

首先是车辆成本。目前，虽然燃料电池汽车比传统汽车和混合动力车都要昂贵，但实际上成本已经大大降低，并且正在接近美国能源部制定的2017年的目标（即30美元/kW）。为了能让燃料电池汽车与传统技术竞争，制造商必须不断降低生产成本，特别是燃料电池组和氢存储的成本。

其次是如何实现车上的氢存储。有些燃料电池汽车能够存储足够的氢，从而让行驶里程范围与汽油车辆无异（大约300到400英里，约合480到640公里）。但是，要在不损害客户对空间、性能、安全或成本的期望的情况下，让不同品牌和型号的车辆都实现这一点，并不容易。理论上，燃料电池汽车比传统汽车能效更高，与等重量的汽油相比，氢气包含高三倍的能量。但是，与等体积的汽油相比，氢气所包含的能量只有其1/3，因此很难存储足够的氢来让燃料电池汽车与加满汽油的车跑得一样远，至少在尺寸、重量和成本限制下是如此。目前，已经在探索各种氢存储方法，各有优缺点（见表2）。

再次，是燃料电池耐用性和可靠性。燃料电池系统尚未如同内燃发动机一样持久耐用，特别是在一定的温度和湿度范围内更是如此。专家认为，要让燃料电池汽车能够与汽油车竞争，电池的预期寿命要达到15万英里才行，而目前才只有7.5万英里。

另外，还有如何让消费者获得氢气。当前氢气生产、输送和分配的基础设施尚无法支持燃料电池汽车的广泛使用。在燃料电池电动汽车成为现实之前，加油站需要投资，使之具有加注氢气罐的能力。但是，由于目前道路上的这类客户极少，因此现有的加油站不大可能进行这项投资。目前，全美国也就总共只有12个氢燃料加注站。因此，氢燃料基础设施问题何时真正得到解决是个大问题。

最后，就是公共教育。在燃料电池技术的好处实现之前，必须让消费者先接受这一技术。如同任何新的车辆技术，当燃料电池汽车第一次进入市场的时候，消费者可能会在可靠性和安全性方面有顾虑。此外，他们必须熟悉一种新的燃料。而公共教育可以加速这一进程。

事实上，与氢燃料汽车相关的运输、存储和生产成本都还过高，这是氢燃料汽车推广的巨大障碍。更有甚者，Joseph Romm认为，不论是现在还是将来，用可再生能源来产生氢气在经济上都是不可行的。而绿色技术媒体（GreenTech Media）在2014年也得出了类似的结论。因此，要推广燃料电池汽车，确实是任重而道远。

各国致力于发展燃料电池汽车

美国

2003年，美国总统乔治·布什提出氢燃料倡议（Hydrogen Fuel Initiative，HFI），该倡议旨在进一步开发利用氢燃料电池和基础设施技术，以加快燃料电池汽车的商业推广。到2008年，美国已经对该项目投资达10亿美元。

虽然在2009年的时候美国能源部长朱棣文（Steven Chu）断言，在未来的10到20年，氢气车辆都不会可行，但是，在2012年，朱指出，随着天然气价格的下降和氢气改进技术的发展，燃料电池汽车在经济上将更加可行。因此，美国政府继续致力于支持燃料电池汽车。

2013年，美国能源部（Department of Energy，DOE）宣布高达400万美元的计划，用于继续发展先进的氢存储系统。2013年5月，能源部推出H2USA方案，重点推进美国的氢基础设施。也在是2013年，加利福尼亚州州长Jerry Brown签署AB 8法案，要在未来10年内每年拨款2000万美元，建设多达100个氢气燃料加注站。2014年5月，加利福尼亚州能源委员会出资4660万美元建设28个氢气燃料加注站。

美国加利福尼亚州大学欧文分校（University of California Irvine）先进电力和能源项目（Advanced Power and Energy Program，APEP）的研究发现，在适当的地点建立68个站，就可以处理至少10000辆燃料电池汽车。而这些站正在逐渐成为现实。到2015年底，加利福尼亚州的9个现役氢燃料补给站中的3个，以及17个新建的站将向一般公众开放，并且有28个站预计要到2016年底交付，意味着短期内氢燃料补给站的总数将达到48个。为在美国推广其燃料电池汽车，丰田汽车公司将继续支持发展便捷、可靠的氢燃料补给基础设施。上述48个氢燃料补给站中的19个将使用丰田公司提供的730万美元的贷款支持，由FirstElement Fuels建造。丰田公司还宣布要为美国东北部地区发展氢燃料补给基础设施做出更多的努力。在2016年，Air Liquide将与丰田公司合作，目标是要在纽约、新泽西、马萨诸塞、康涅狄格和罗德岛这五个州共建设12个补给站。由于东北部的五个州气候寒冷，因此，冬季会严重限制电池电动汽车的行驶范围，在这些地区燃料电池汽车应该更有优势。

除此之外，为推广燃料电池汽车，客户购买燃料电池汽车也会享受许多优惠政策。比如在加利福尼亚州，许多购买燃料电池汽车的客户可以得到联邦和州政府提供的高达13000美元的奖励，意味着如果购买丰田Mirai，其购买价格可以降至45000美元以下。另外，在加利福尼亚州，Mirai有资格获得“白色标签”，从而能够在只有单一乘员的情况下，使用拼车车道（carpool lane），这对于交通高峰时段无疑是个很大的激励政策。而为了推广丰田Mirai，丰田汽车公司打算在前三年提供免费的氢加油，目前现代对它的途胜（Tucson）燃料电池休旅车的承租人就采用了这种方法。并且，丰田公司将为所有的燃料电池组件提供8年或者10万英里保修。

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日本

氢燃料电池汽车要想成功，就需要在他们销售的每个区域都有足够数量的公共氢气加注站。针对要在多个国家建立电动汽车充电基础设施，汽车制造商已经开展了宣传活动。但是，由于氢燃料加注站的成本要高得多，因此，类似的努力就会更加困难。尽管如此，作为其“氢经济”愿景的一部分，日本国家政府已经表现出对燃料电池汽车强有力且持续的支持与承诺。

2015年7月1日，日本三个最大的汽车制造商——本田、日产、丰田——发表联合声明，表示将联合努力，以支持建造新的氢气加油站。在声明中，这三家企业讨论了细节内容，所采取的措施将包括承销一些建设氢气加油站的基础设施公司所产生的运营成本。基于此，汽车制造商将涵盖项目中所涉及的加油站1/3的运营成本，每个加油站的份额大约为1100万日元（约合9万美元）。在每个财年，运营商必须重新申请资助。但到目前为止，汽车制造商尚未表示获得支持的加油站的数量是否有限制。声明指出，在燃料电池汽车确立市场地位，并且氢气加油站基础设施的建设步入正轨前，该项目将一直运行。汽车制造商们认为，这预计会到大约2020年。

日本的氢加油基础设施项目将在政府的巨大努力下展开，以促进燃料电池的各种用途。日本首相安倍晋三（Shinzo Abe）将国家氢加油站网络看作是其“氢社会”的一部分，在“氢社会”中，燃料电池不仅为汽车提供动力，还为家庭和办公楼宇等提供电力。在氢燃料加注站方面，日本已经于2014年建成第一个商业氢燃料加注站，并有40个新站在计划中。东京市政府计划在2020年前，在其管辖范围内资助建造35个站，而2020年正是东京主办夏季奥运会的年份。

除了美国和日本，目前德国已经草拟了氢气加油网络计划，计划要建设50个氢气加注站。同时，草案要求所有的氢气都要产生自可再生能源，从而让汽车从井到车轮（wells-to-wheels）的碳足迹能与电动汽车相比。

燃料电池汽车最新相关技术

不同类型的燃料电池包括聚合物电解质膜（polymer electrolyte membrane，PEM）燃料电池、直接甲醇燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、改良甲醇燃料电池和再生燃料电池。而目前车辆中最常见的燃料电池是聚合物电解质膜电池。

2012年，英国研制成功的聚合物电解质膜燃料电池能在较低的温度下操作，比其它燃料电池更小，更轻，使得它们更适合用于小汽车和货车。英国的聚合物电解质膜燃料电池系统可将汽车总拥有成本降到低于36美元/kW，从而让燃料电池电动汽车足以在成本上与内燃机动力汽车竞争。如果使用该技术，到2050年可以将燃料电池电动汽车的市场总份额从原有预期的25%提高到34%，相当于在全球增加了200万辆燃料电池电动汽车，这等同于300亿美元的聚合物电解质膜燃料电池市场价值，以及全球2.6亿吨的二氧化碳节余。

在2015年4月，一直致力于开发酶方法的弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech）生物系统工程系的教授Percival Zhang研究成功了一种直接从植物中制造氢气的新方法。Zhang的方法是“无细胞”的，也就意味着不需要像发酵一样使用微生物。相反，该方法使用酶，把复杂的糖类（比如那些在植物材料中找到的糖）分解成组件成分。目前，他的实验表明，这一过程能够有效地将玉米秸秆（这是美国最富的农业废物产品）转化为氢燃料。张和他的同事们已经证明，相比于传统的发酵方法，该过程能让每单位的糖多产生三倍的氢。目前这项技术仍处在初期阶段，仅使用一两毫升的反应器在小规模内得到了验证。但张教授说，这种方法与现在使用微生物从有机材料中生产氢的过程（包括纤维素乙醇）几乎一样快，并且一样有能效。张教授的下一个目标是提高生产规模，将其从几毫升提高到一升，并且他希望三年内能够在加油站中应用这一过程。如果可能，这一方法将会成为经济实惠的方式，这或许能够为依靠农业废弃物的氢气加气站铺平道路。张教授甚至设想，如果该过程被证实可行的话，未来汽车可以有一个车载反应器，将糖转化为燃料。但是，目前该技术也存在一些问题。首先，其潜在的成本尚不确定，要真正变成大规模的可用商业化可行过程还有很长的路要走。其次，这一过程取决于酶，而张教授的技术中需要的酶的成本相当高。并且，目前尚不清楚大规模时该酶是否足够稳定。但无论如何，该方法为经济实惠的提取氢带来了希望。

虽然燃料电池汽车和为其加注氢的基础设施目前都还处于早期部署阶段，但燃料电池汽车却有可能对交通运输系统产生革命性的影响。如果氢燃料能够成为一种可行的低碳能源载体，那么要提高能源安全，实现能源来源的多样化，同时减少温室气体排放，氢动力燃料电池汽车可能是重要的长期的解决方案。要真正将燃料电池技术从一个实验室项目转变成一个现实世界的解决方案，以实现车辆的零排放，这不仅是汽车制造商的任务，也是整个社会的任务。无疑，未来还有很长的路要走。

燃料电池发动机 篇7

目前, 氢气作为燃料因能产生清洁高效的动力而备受关注。为替代传统车辆内燃机驱动以及今后替代电力驱动, 铁路技术研究所研发了用燃料电池驱动的新型车辆, 引入了足以驱动至少一辆车的100kW级燃料电池系统 (简称FC系统) , 并将其安装在试验车辆上进行了运行测试。该车径实际运用还存在许多限制, 如输出功率不能达到传统车辆的加速性能, 而且不能利用再生能量[1]。本研究中, 开发了锂离子电池系统 (简称Li-batt) 、电池DC/DC变流器 (Batt变流器) 以及FC/Batt混合动力系统监控器, 并将它们与FC系统一起安装在R291试验车辆上, 利用再生能量以及辅助电源, 建立了一套混合动力系统。本文将阐述上述研发过程及不同运行条件下能源效率及燃料消耗率的评估结果。

1 FC/Batt混合动力系统的研发

1.1 系统试验车的技术参数

本研究中, 构建了FC/Batt混合动力系统, 并在列车上进行了运行试验。图1为FC/Batt混合动力试验车辆。混合动力系统包括:由输出直流电压800V～1 500V、输出功率700kW的单向DC/DC升压变流器构成的FC变流器;容量为360kW、能量为36kWh的锂离子电池;输出直流电压为600V～1 500V、输出功率360kW的双向DC/DC变流器构成的Batt变流器;两个输出功率为95kW的三相感应电动机组成的主牵引电机;容积为720L、能承受35MPa压强的氢气缸。

在运用FC/Batt混合动力系统后列车输出的数据较传统车辆得到了改善[2], 由原来一辆编组变成了两辆, 牵引功率由120kW提高到360kW, 燃料 (氢气) 利用率由5km/kg提高到7km/kg, 能源利用率提高了15%, 且实现了再生制动。

1.2 系统结构

FC/Batt混合动力系统很好地结合了燃料电池和蓄电池的输出功率, 避免因牵引逆变器输入电压波动影响其加速性能。为充分利用感应电机产生的再生能量, FC/Batt混合动力系统采用了如图2所示的结构。该结构具有传统牵引系统的特点, 如工作条件要求低、可简化主电路等, 最合适安装于传统车辆上。

1.3 锂电池的研发

锂离子电池因具有性能好、可靠性高、价格便宜等优点而被选作为混合动力系统的蓄电池。在传统锂离子电池的基础上, 对本系统所用锂电池的充电和放电电流密度进行了新的设计, 使其是传统锂离子电池容量的10倍。本系统采用的电池技术参数为:额定电压604.8V, 容量60Ah, 功率360kW。电池采用了168块串联、2组并联的结构。

1.4 Batt变流器的研发

为将锂离子电池应用于混合动力系统, 研发了Batt变流器, 其用于将锂离子电池电压在600 V和1 500V之间进行双向转换。变流器主电路类型为双向DC/DC, 最大功率360kW, 低位电压500V～720V, 高位电压1 500V, 质量为2 400kg, 外形尺寸 (长×宽×高) 为4.5m×1.0m×1.65m。

2 FC/Batt混合动力系统的控制

通过从牵引逆变器 (INV) 、锂离子电池、FC系统及FC变流器接受信号的方式, Batt变流器控制FC变流器的输出功率和锂离子电池充放电功率, 以维持总线电压恒定。当总线电压超过1 500V, Batt变流器向锂离子电池充电;反之, 让电池放电。提前设置了充电SOC目标值 (CEO) 和放电SOC目标值 (CSO) , Batt变流器对FC变流器的输出进行控制, 保持来自SOC信号位于CEO和CSO之间。当车辆速度大于5km/h时, 认为车辆处于运行中, 为获得基于速度的再生能量, Batt变流器就会减小CEO和CSO值, 故运行过程中的SOC会比静止状态 (或车辆速度低于5km/h) 的低。当车辆需要在较高SOC条件下进行测试时, 则需要锂离子电池提供加速能量。

为获取再生制动产生的最大功率, 将CEO值设为70%;为避免由于SOC信号的振荡而发生共振, 将CSO值设为60% (即比CEO值低10%) 。这些Batt变流器参数可根据需要进行更改。

3 FC/Batt混合动力系统燃料消耗率及效率评估

我们在试验轨道上对FC/Batt混合动力试验车辆进行了运行试验, 并基于试验结果对混合动力系统的燃料消耗率及能源效率进行了评估。本文对有无等待SOC恢复及是否开启空调等三种工况下的输出进行了比较[3]。

3.1 空调关闭时燃料消耗率和效率的评估

图3为带有SOC恢复及空调关闭情况下 (工况1) 的连续运行试验结果。在有SOC恢复情况下, 只要有燃料就可一直进行运行试验。基于SOC维持在60%情况下 (除了第一次以外) 连续进行了30次试验。

图4为没有SOC恢复及空调关闭情况下 (工况2) 的试验结果。在没有SOC恢复的情况下, 随着运行试验的进行SOC值渐渐降低, 当SOC值低于30%时试验结束。本工况下, 当SOC值从60%降到30%, 可进行22次运行试验。

在这些评估中, 使用下述公式对燃料消耗率和效率各方面进行定义[4]:

其中:A为加速能量;B为辅助能量;C为电池放电能量。氢气消耗能量通过低热值进行换算。

对于工况1、2, 表1列出了燃料消耗率的评估, 表2列出了效率各方面的评估。由表1和表2可知:当空调关闭, 无SOC恢复下, 氢气耗量、燃料利用率、燃料电池效率、再生效率及车辆能源效率都优于有SOC恢复情况。

3.2 空调开启时燃料消耗率和效率的评估

图5为没有SOC恢复及空调开启情况下 (工况3) 连续运行试验的结果。本工况下, 当SOC值从60%降到30%, 可进行16次运行试验。对于工况3, 表3列出了燃料消耗率的评估, 而表4列出了效率各方面的评估。工况2和工况3的差别仅仅是空调的开关与否, 但在燃料利用率和车辆能效方面却分别有1.07km/kg-H2和7.4%的差别。工况2下, 要将SOC从30%恢复到60%, 需要花约12min, 而工况3则要花约15min。工况1中, 每次运行试验要将SOC恢复到60%均需要花3min左右。

4 结论

在装有FC/Batt混合动力系统的两辆车上进行了运行试验, 并对具有60%SOC恢复运行工况和没有SOC恢复工况进行了燃料消耗率和效率方面的评估。结果表明:没有SOC恢复工况的燃料利用率和车辆能源效率分别比有SOC恢复工况好, 约为0.8km/kgH2和10%。另外, 分析了空调开关之间的区别, 结果表明空调关闭时大约有1km/kg-H2的燃料利用量和7%的车辆能源效率的优势。此处, 只能简单地确定车辆能效约65%的车辆如预期一样具有较高的性能。研发尺寸更小的FC/Batt混合动力系统, 并针对实际运用确定燃料电池寿命是今后的研发方向。

摘要：为替代传统车辆的非电气化区段内燃机驱动, 研发了用燃料电池系统进行牵引供电的新型车辆。将燃料电池/蓄电池 (简称FC/Batt) 混合动力系统装于试验车辆上, 并在试验轨道上进行运行试验。阐述了FC/Batt混合动力试验车辆的研发过程, 并对混合动力系统的能效和燃料消耗率做了评估。

关键词：燃料电池,锂离子电池,混合动力,能效,燃料消耗率

参考文献

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燃料电池新技术扫描 篇8

美国航天局下属喷气推进实验室与南加州大学合作, 研制出一种利用液态甲醇产生电能的电池, 这项技术将为进一步开发和推广清洁能源开辟新途径。

喷气推进实验室表示, 与其他燃料电池相比, 这种“直接甲醇燃料电池”在发电时不需要添加任何燃料, 也不排放任何污染物, 其发电副产品为水和二氧化碳, 如此生成的电能相对更清洁。此外, “直接甲醇燃料电池”还具有设计简单和能量密度高等特点。目前使用的一些燃料电池主要以氢为能源, 但氢难以储存和运输, 而“直接甲醇燃料电池”克服了这一缺点。这种燃料电池今后有望用于国防、军工行业及商业领域, 市场前景广阔。

可提高燃料电池能效的新材料

韩国原子力研究院 (KAERI) 和韩国能源技术研究院共同研究, 成功开发出可提高燃料电池能效的新材料。

此次研制成果有两种:一种为可使固体氧化物燃料电池 (SOFC) 在低温状态下运作的“碳素薄膜银纳米粉末催化剂”;另一种为不仅可大幅缩小甲醇燃料电池 (DMFC) 体积, 而且还能提高能效的“放射线照射高分子燃料电子膜”。碳素薄膜银纳米粉末可取代用稀贵金属制成的催化剂, 使SOFC能在摄氏650度的高温下达到400-/-的最大功效;放射线照射高分子燃料电子具有过滤甲醇并只许氢离子透过的特性, 可制作小体积高能效DMFC电池。

不需贵金属的氢燃料电池催化剂

美国洛斯阿拉莫斯和橡树岭国家实验室的研究人员开发了一种不需要贵金属的新型氢燃料电池催化剂, 有望解决氢燃料电池推广过程中的主要障碍, 使氢燃料电池从个人设备到汽车等多个领域具有广泛应用。

该新型碳-铁-钴催化剂通过加热聚苯胺、铁、钴盐生成, 不含贵金属铂, 但几乎与铂催化剂一样有效耐用。使用该催化剂的燃料电池能有效地将氢气和氧气变成水, 而不会产生大量不需要的过氧化氢。大量过氧化氢的产生会使燃料电池的产出能量减少50%, 同时还可能破坏燃料电池的膜。通常情况下, 由非贵金属制备的类似催化剂容易在高度酸性情况下降解, 但这种新型催化剂却能保持稳定。与铂催化剂相比, 新型催化剂的成本还极低。研究结果证实, 这种新催化剂使氢燃料电池的能量更高、效率更高且寿命更长, 且能让电池在不断充放电的过程中损耗更小。

微生物燃料电池及机器人

英国的科学家研究出了一种微生物燃料电池, 以及能够自我供给功能的机器人, 使得微生物成为一种未来的可持续性的能源。

这种样子笨拙的机器人可以将任何有机物质分解转换成电能供自己使用, 人们未来可以派它去条件恶劣的灾区执行搜寻幸存者的任务, 由于机器人会自动利用环境中的一切有机物为自己供能, 所以不必像使用普通电池那样担心它能量耗尽。

直接甲醇燃料电池及其前景 篇9

关键词：燃料电池,直接甲醇燃料电池,原理,应用

燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转变为电能的发电装置。燃料电池有许多优点，由于它不受卡诺循环的限制，与传统的能量转换系统相比能量转换效率高。它一般用氢作燃料，氧气为氧化剂，而产物为水，因而对环境的污染很小。由于不同类型的燃料电池在不同场合的应用，使燃料电池有着广泛的用途。

1 燃料电池的历史

燃料电池的历史可以追溯到第19世纪英国法官和科学家William Robe rt Grove爵士的工作。1839年，Grove所进行的电解作用实验———使用电将水分解成氢和氧———是人们后来称之为燃料电池的第一个装置。

剑桥大学的工程师Francis Thomas Bacon博士完成了燃料电池历史的主要一章。1932年，Bacon博士发明了Bacon电池，它也就是第一个碱性燃料电池(alkaline fuelcell, AFC)。20世纪初期，飞机制造商Pratt&Whitney获得Bacon的碱性燃料电池专利执照。之后，这种碱性电池便用于大多数飞行任务。它能产生可饮用水作为副产品是使用燃料电池作为能源的另一好处。在整个20世纪的70、80年代，人们大量研究开发所需的材料，探索最佳的燃料源，同时迅速降低燃料电池技术的成本。直到20世纪90年代，一种廉价的，清洁的，可再生的能源最终成为事实。

目前，许多公共设施都用了燃料电池，很多汽车公司也已经设计出燃料电池汽车。在北美和欧洲的许多城市，以燃料电池为动力的公共汽车也已进入试用，。在今后的几十年中，鉴于人们对能源危机的担心，以及大量使用石油燃料对环境的破坏已受到愈来愈多人的关注，这必将促进燃料电池的发展。

2 燃料电池的种类

燃料电池依据其电解质的性质而分为不同的类型，每类燃料电池需要特殊的材料和燃料，且用于其特殊的应用。

2.1 质子交换膜燃料电池（PEMFC)

该技术是GeneralElectric公司在20世纪50年代发明的，被NASA用来为其Ge m ini空间项目提供动力。目前这种燃料电池被汽车公司用来取代原来使用的内燃机。

当然，要使该技术广泛应用仍需解决一系列的问题。其中制造成本是最主要的问题，因为膜材料和催化剂都十分昂贵。同时这种电池需要纯净的氢方能工作，因为它们极易受到一氧化碳和其它杂质的污染。

2.2 碱性燃料电池（AFC)

燃料电池技术中发展最快的一种要算是碱性燃料电池，主要为航空服务。

碱性燃料电池的设计与质子交换膜燃料电池的设计基本相似，但其使用的电解质为稳定的氢氧化钾基质或水溶液，而且电化学反应也稍有不同与羟基(OH)从阴极移动到阳极与氢反应生成水和电子。这些电子为外部电路提供能量，然后回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。

碱性燃料电池启动很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度大约低十倍，在汽车中使用非常笨拙。不过，由于它们是燃料电池中生产成本最低的一种，因而可用于小型的固定发电装置。

2.3 直接甲醇燃料电池（DMFC)

直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变异，直接甲醇燃料电池直接使用甲醇而无需预先重整。甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢，如同标准的质子交换膜燃料电池一样，之后氢再与氧反应。

这种电池的期望工作温度为120℃，略高于标准的质子交换膜燃料电池，效率大约是40%。其缺点是需要更多的白金催化剂。

2.4 再生型燃料电池（R FC)

再生型燃料电池技术相对较新，但全球有许多研究小组正在从事这方面的研究。它与普通燃料电池的相同之处在于也用氢和氧来生成电、热和水。其不同之处是它还进行电解。燃料电池中生成的水再送回到以太阳能为动力的电解池中，在那儿分解成氢和氧组分，然后这种组分再送回到燃料电池。这一技术目前仍有许多问题尚待解决，例如成本以及进一步改进太阳能利用的稳定性等问题。

3 直接甲醇燃料电池的运作原理

所谓直接甲醇燃料电池(Direct Methano lFuelCell)，它属于质子交换膜燃料电池(PEMFC)中之一类，系直接使用液态甲醇为燃料供给来源，而不需透过重组器重组甲醇、汽油及天然气等再取出氢以供发电。相较于质子交换膜燃料电池(PEMFC)，直接甲醇燃料电池(DMFC)低温生电、燃料成分危险性低、生电结构简单等特性使直接甲醇燃料电池 (DMFC) 成为便携式电子产品应用的主流。

3.1 直接甲醇燃料电池的运作原理

直接甲醇燃料电池含有阴阳两个电极，而两个电极之间由具有渗透性的薄膜所构成。离子交换膜为其电解质，薄膜的表面则涂有可以加速反应的触媒。甲醇溶液透过阳极进入燃料电池，氧气由阴极进入燃料电池。经由触媒的作用使甲醇所含的氢原子(hydrogen)裂解成质子(proton)与电子(electron)，其中质子被氧吸引到薄膜的另一边，电子则经由外电路形成电流后到达阴极，与氧(O2)形成水 (H2O) 。

直接甲醇燃料电池 (DMFC) 反应式如下：

阳极反应：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-

阴极反应：3/2O2+6H++6e-→3H2O

电池反应：CH3OH+3/2O2→CO2+2 H2O

3.2 直接甲醇燃料电池与二次电池的比较

直接甲醇燃料电池相较于目前主流二次电池如锂离子电池或镍氢电池具有高能量密度的优势。直接甲醇燃料电池的理论能量密度是4780 Whr/L，相较于镍氢的200 Whr/L、锂离子的310 Whr/L都有较大优势。另外与二次电池蓄电再放电的机制不同，燃料电池可以说是能源转换器，只要持续供应燃料即可持续产生电力，不会有电力中断或更换电池的现象。

4小型直接甲醇燃料电池发展动向

燃料电池的日益发展使它们正成为不断增加的移动电器的主要能源。微型燃料电池因其使用寿命长，重量轻和充电方便等优点，与常规电池相比具有得天独厚的优势。

如果要使燃料电池能在笔记本电脑，移动电话和摄录影机等设备中应用，其工作温度，燃料的可用性，以及快速激活将成为人们考虑的主要参数，目前大多数研究工作均集中在对低温质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池的改进。正如其名称所示，这些燃料电池以直接提供的甲醇-水混合物为基础工作，不需要预先重整。

例如东芝公司表示，其闪存播放器尺寸为23x75x10mm，充入3.5m l浓缩甲醇能够支持大概35小时的音频播放;硬盘播放器尺寸较大为60x75x10mm，充入10ml浓缩甲醇可支持多达60小时的音频播放。

东芝的DMFC技术适用于小型燃料电池、采用浓缩甲醇解决方案，是一种被动式燃料供给系统。通常，燃料电池将甲醇与水混合，再浓缩至原来的30%。经过了一系列耐用及可靠性测试，东芝打算进一步促使该技术的成熟以将DMFC集成到商业产品中。

5 结语

从目前的技术水平看，DMFC的功率密度比氢氧燃料电池低，因此这类电池更适用于小型电器中，如移动电话、笔记本电脑等。

现在，国外的很多厂商都开始研究并着手于以此作为燃料。直接甲醇燃料电池(DMFC)由于使用液体甲醇作燃料，电池安全，系统简单，运行方便，具有很广阔的商业化前景。

参考文献

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燃料电池并网控制策略研究 篇10

燃料发电机组是典型的电力电子变换器形式的分布式发电电源,在现有的众多分布式发电技术中,燃料电池[1,2,3]具有能效高、环保、动态特性突出等特点,被称为21世纪的分布式电源。随着现在电力紧缺现况的不断加重,燃料电池并网运行正逐渐变为一个大的趋势。

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)[4,5]由于选择氢气和液态甲醇等燃料,被认为是未来电动汽车、固定式电站的核心技术,近年来在笔记本电脑、手机等便携式电源上商业化应用的趋势加强,世界上各大汽车厂商均投入巨资加以研发,已成为国外电力行业重点开发的方向[6]。然而由于燃料电池输出电压波动大,稳定性差,在负载变化较大的场合使用燃料电池时,电能质量得不到保证,输出的电能无法直接应用,因此有必要设计合适的变流器[7];文献[8]设计了推挽正激变换器,提出了双CDD无源无损箝位电路,使系统具有很好的稳定及其动态影响,但是输出的是直流电,不能直接应用。文献[9]提出的燃料电池逆变控制策略能够使输出的电流具有较小的稳态误差,但是不具备对输出功率的控制要求。文献[10]设计了纹波电流控制器,这种控制器能够很好地抑制电流纹波,但控制器的设计非常复杂,不利于实际应用。本文充分考虑PEMFC的输出功率和电能质量,设计燃料电池并网控制器,提出了一种新的并网控制策略,通过Matlab数值仿真,仿真结果表明所提出的控制策略的正确性。

1 燃料电池系统并网控制策略

研究燃料电池的目的是为了让其发电输出电能。燃料电池的输出特性较软,也就是说随着负载不断增加,电流和功率随着增加;同时,燃料电池输出不符合用户电压等级,所以必须对其输出的电能进行变换以满足不同负载的需求。

在燃料电池系统的发电启动过程中,由于电池堆还没有发电,系统的控制用电完全依赖辅助电源供给。辅助电源是对电能进行变换,以获得燃料电池系统的所需各种电压。Boost开关调整器很适合在燃料电池系统中作为初级辅助电源的变换器。为了并入电网,还必须采用逆变器将直流电转换为交流电。

1.1 DC/DC升压变换器

Boost电路如图1所示,由此可以写出其微分方程。

由图1所示的电路,可以写出其状态方程为:

式中:VFC为燃料电池输出电压;Vdc为输出直流电压;RDC为等效负载;D的取值为{0,1}。

变换器的控制策略采用PI控制,即

式中:Kp、Ki分别为比例和积分调节增益;V*dc为给定值。

1.2 逆变器的建模

由图2所示,可得到两相同步旋转坐标系下的数学模型,如式(3)所示。

令vq=vdc sq,vd=vdc sd代入式(3),可得数学模型:

可以看出此系统为强耦合系统,采用前馈解耦控制策略,电流环控制器采用PI控制器,可得控制方程:

式中,qi*、di*分别为qi和di的标准值。

将式(4)代入式(5)中可得:

图3所示为本文所设计的采用内外双闭环控制的燃料电池并网逆变系统,其内环为PI电流控制环,外环采用有功和无功功率反馈控制环。内环采用PI电流控制环是为了前馈解耦控制,由于d、q轴电流变化的交互影响,为了消去两者之间的耦合项,采用这种方法可以提高系统的控制性能。内环控制得出的误差,由外环经过反馈调整内环的给定值,从而使动态误差趋于零。外环给定的是系统输出的有功量和无功量,其值由系统输出的电压电流量确定,这样可以动态跟踪系统输出的功率,达到稳定调节的目的。

逆变器前端接的是Boost变换器,使得燃料电池组输出电压稳定并能够达到输出值;控制器采用PI策略,当燃料电池输出因为负载变化、短路等情况而发生变化时,Boost变换器能稳定前级电压并能抬升电压值,具有较好的动态性能。

2 PEMFC燃料电池系统并网动态仿真

2.1 燃料电池在网络方程中节点处理

如图4所示,两相旋转坐标系转换为两相静止坐标系变换矩阵为:

经过坐标变换后的电流ix、iy即为燃料电池的注入电流。因为燃料电池输出电压和输出功率一定,故在潮流计算时可视为PV节点。

2.2 系统仿真描述

系统仿真模型如图5所示,系统参数详见文献[11]所示。

本文采用的是PEMFC燃料电池,燃料电池输出额定功率为6 k W,输出电压为45~60 V,Boost变换器端L1=0.5 m H,C1=7.5 m F,逆变器端L=2.3m H,R=10 mΩ。

设计燃料电池组发出功率12 MW,输出电压500 V,经过一级变压达到10 k V。

2.3 仿真系统程序设计

文中采用Matlab软件编程实现对上述系统的动态仿真。根据具体的故障情况:三相短路,电压跌落和负荷突变,分别编制子程序进行仿真。具体程序框图如图6所示。

1)三相接地短路的情况

仿真条件:仿真开始接入燃料电池组,5 s时在节点7处发生三相接地短路,5.08 s切除线路5-7,仿真结果如图7、图8所示。

从图7可知,开始接入燃料电池机组对系统影响并不大,燃料电池输出电压曲线开始时有一振荡,但很快恢复平衡状态输出直流电压,短路对其影响不大,其开始的峰值主要由变换器的瞬时状态造成的;Boost变换器输出电压能够达到500 V符合控制要求,满足DC/AC变换器的电压要求,短路对其影响比较大,有明显跌落。短路后,燃料电池并网节点电压波动比较小,输出电压范围符合系统稳定运行的要求。从图8可知,按照文中的控制方式逆变器在输出有功功率的同时,还可以输出一定的无功功率,并能够在短路故障情况下,使得功率曲线迅速恢复稳定,具有很好的跟踪动态功率的能力,保持输出功率稳定;逆变器A相电压曲线在短路期间暂降,输出波形完好并能够保持稳定。

2)电压跌落的情况

仿真条件:仿真开始接入燃料电池组,5 s时在节点10处电压有50%的跌落,5.5 s恢复正常电压,仿真结果如图9、图10所示。

从图9可以看出,在节点10处电压发生50%的跌落时,对发电机的功角影响不是很大,在电压恢复后功角发生了一定的下降,但很快恢复稳定状态;对燃料电池堆输出电压影响不大,对Boost变换器的输出电压影响较大,输出电压曲线下跌。从图10可以看出,对功率的影响比较大,有功和无功功率都在电压跌落时出现跌落,但恢复到稳定状态时间很短,在不到1 s的时间内恢复稳态值。

3)负荷突变的情况

仿真条件:仿真开始接入燃料电池组,设定接在节点5上的负载为轻载(0.4 pu),系统运行在5 s时负载突变为接近满载(0.95 pu),然后在5.5 s时恢复正常负载(0.6 pu)。相应的仿真结果如图11、图12所示。

从图11可知,在0~5 s的时间范围内,节点10上的负荷为轻载,在5 s时负载突变为重载,普通发电机的功角曲线和燃料电池并网节点发生了相应的跳动,功角曲线在恢复正常负载的2 s时间内恢复稳定;而电压曲线由于负荷重载吸收无功功率,出现电压跌落现象,恢复正常负荷后稳定在一个新的电压值;对燃料电池堆输出电压影响不是很大,但对Boost变换器的输出电压影响较大,输出电压曲线下跌。

从图12可知,负荷的突变对逆变器的输出功率影响不大,功率曲线的波动很小,恢复到稳态的时间很短,动态响应能力强;从逆变器输出电压A相电压曲线看,在负荷轻载时,电压稳定运行在一个状态,当负荷突变后电压出现跌落,然后负荷恢复正常时,电压曲线快速恢复在一个新的稳定状态。

依据以上仿真结果,可以看出所设计的燃料电池并网控制策略在三种故障情况下,能够使得燃料电池系统稳定运行,并能动态跟踪系统的功率输出情况,保证了有功功率和无功功率的稳定输出,保证了输出电压的稳定,具有较好的动态响应能力,验证了燃料电池并网系统设计的正确性。

3 结论

本文提出了一种燃料电池系统的并网控制策略,利用内外双闭环控制方法,能够使逆变器输出达到要求,通过Matlab数值仿真结果表明:在系统发生三相短路、电压跌落、负荷突变等情况下,燃料电池能够稳定运行,并能保证系统的有功、无功和电压的稳定,具有较好的动态性能。

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