燃料电池发电（精选12篇）
燃料电池发电 篇1
针对以“大机组、大电网、高电压”为主要特征的现代电力系统在抵御战争与自然灾害、调峰能力以及环境污染等方面存在的问题，从上世纪80年代末开始，世界电力工业已出现由传统的集中供电模式向集中和分散相结合的供电模式过渡的趋势。近年来，分布式发电 (distributed generation, DG) 技术以其独有的环保性、经济性引起人们越来越多的关注。随着我国经济的发展以及人们生活水平的提高，近年来区域性与季节性高峰期电力负荷越来越大，“电荒”现象越来越严重。从维护国家统一、确保国民经济可持续发展等需要出发，有必要加快发展我国分布式电源尤其是本世纪最被看好的燃料电池DG，优化供电模式，保障供电安全。
（一）分布式发电技术简介
分布式发电是指将电力系统以小规模 (功率在数千瓦至50MW) 分散布置在用户附近，可独立地输出电能的系统。与大电网相比，DG具有投资省、损耗低、效率高、可靠性高、占地小、能源种类多、环境污染小等优点，特别适宜军用移动电源，供电网难以达到的边远分散用户、海岛，电动车电源等。更重要的是分布式电源应对高峰期电力负荷比集中供电更经济有效, 是集中供电有益的补充。其可在电网崩溃和意外灾害情况下，维持重要用户的供电，大大地提高供电可靠性，避免灾难性后果的发生。
当前的DG主要是指用化石燃料的内燃机、微型燃气轮机发电装置，燃料电池发电以及利用再生式能源的风能和太阳能发电等技术。在欧洲，DG已不是新技术，英、美、日等发达国家在能源结构调整过程中已将其放在了相当重要的位置上。有研究指出到2010年，新增DG容量将占新增电源总量的20%，其与大电网联合运行是今后发电技术发展的必然趋势。在众多DG技术中，燃料电池因具有能效高、清洁、无噪声、动态响应好等优点，被称为21世纪的DG，是继火电、水电、核电后的第四代发电方式，受到了世界各国的高度重视。
（二）目前我国电力系统弊病分析
当前我国的供电系统是以“大机组、大电网、高电压”为主要特征的集中式单一供电系统。这种系统采取集中发电、远距离输电和大电网互联的供电方式，运行技术复杂，管理水平要求极高，安全稳定性不足。它在地震、水灾、暴风、冰雪、雷电等自然灾害面显得十分脆弱，电网上任一点的故障所产生的扰动都会以光速波及开来，严重的可能会引发大面积停电甚至全网崩溃;在现代战争远程精确打击以及石墨炸弹等新型武器攻击下更是不堪一击，极易受到战争或恐怖势力的破坏，成为危害国家安全与发展的严重隐患。
这方面的教训以及造成的损失是非常惨痛的。比如，1999年7月29日台湾因山崩压倒台电326号高压线铁塔而引发全岛大停电，岛内民众一片惊慌并造成至少上百亿元新台币的损失。1996年7月2日、8月10日在美国西部连续发生大停电，1996年8月3日马来西亚发生全国性大停电，以及2003年8月14日的美加大停电，这些事故损失惨重，教训沉痛。2008年发生在我们身边的一场50年一遇的罕见暴风雪一级5.12四川大地震，都造成受灾省份供电故障频发甚至大面积长时间供电中断，使得灾区的通信和交通受到极大的影响，这不仅延误了人们的行程，更对救灾行动的施展造成了巨大的难度。上世纪末的科索沃战争，美军用空投石墨炸弹摧毁了南联盟电力系统，破坏了南联盟国民经济，造成南联盟人民生活陷入极大的困境与恐慌，仅此就达到了不战而屈人之兵的目的。
此外，这种系统不能满足当前对环保的要求和限制。我国当前以火力发电为主，发电过程中产生了大量的大气污染物、温室气体和粉尘，对环境造成了极大的污染，并且由于近年来人们对电磁污染的担心，建设新的输电走廊变得极为困难。面对我国逐年加剧的峰电供应紧张局面，集中式发电还无法灵活跟踪负荷的变化，而为了这些短暂的峰荷建造新的发电厂其花费是巨大的，经济效益也非常低。
鉴于上述原因，我们可知由大电网大面积停电所造成的后果是灾难性的，应该对这种供电模式进行反思。加快发展更加安全可靠的燃料电池分布式发电技术，实现高效、分散和清洁的电力生产和安全的电力供应已成为我国的必然选择。
（三）燃料电池分布式发电技术
1. 燃料电池分布式发电技术。
燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。氢基燃料送入燃料电池阳极转变为氢离子，空气或氧气送入电池阴极，负氧离子通过两电极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水，电子则通过外电路形成电流供给负载。完整的燃料电池发电系统通常由电池堆、燃料与空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成，电池堆是其核心。
2. 燃料电池发电技术的优点。
燃料电池发电技术具有传统电厂和常规化学电源无法达到的优点，主要有：(1)污染小。与火力发电相比，它的大气污染小，没有废热污染。用纯氢作燃料时，反应产物只有水和可回收利用的反应余热。在环境日益严重的情况下，它是极好的一种清洁能源。(2)能效高。火电厂或者原子能发电都是把化学能或原子核能先转变为热能后再转变为电能;而燃料电池是直接把化学能转变为电能，不经过热机过程，不受卡诺循环的限制，转化效率特高，是普通内燃机的2～3倍。(3)噪声小。燃料电池工作时只有气体的流动和电极反应，没有机械运转噪音。实验表明，距离40kW磷酸燃料电池电站4.6m的噪声水平是60dB，而4.5MW和11MW的大功率磷酸燃料电池电站的噪声水平已经达到不高于55dB的水平。(4)燃料广泛，补充方便。燃料电池可以使用多种燃料，可用氢气、天然气、煤气、甲醇，以及火电厂不宜使用的低质燃料。而氢气又是一种来源极其广泛的可再生能源。(5)可靠性高。燃料电池的电极只是化学反应的场所和电流的通道，并不参与化学反应，没有电极损耗，工作可靠、寿命长，一般可达5万～10万小时。(6)易于建设，维修方便。燃料电池由基本电池单体组成，可用积木式方法组成各种不同规格、功率的电池。加之不需要很多辅机和设施，因而电站的设计和制造相当方便，并可按需装配在海岛、边疆、沙漠等地区，构成独立的分布式电源。无转动部件，不存在机械磨损和机械故障，所以维护也十分方便。
（四）燃料电池发电技术的应用现状与前景
燃料电池按其使用温度和电解质的不同分为5类，分别是低温型 (70～80℃) 的碱性燃料电池 (AFC) 和质子交换膜燃料电池 (PEMFC) ;中温型 (200℃) 磷酸型燃料电池 (PAFC) ;高温型的熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC, 650℃) 、固体氧化物燃料电池 (SOFC, 500～1000℃) 。燃料电池的多样性为未来发电路线提供了多重选择路径。
对低温型燃料电池，部分文献认为碱性燃料电池并不适宜在实际的发电工业中应用，而质子交换膜燃料电池因其燃料可以选择氢气和液态甲醇，被认为是未来电动汽车、固定式电站的核心技术，近年来在笔记本和手机等便携式移动电源上的商业化趋势加强，成为国外电力行业重点开发的方向。其缺陷在于燃料要求氢纯度较高及电池制造成本较高 (用铂金作催化剂) ，但随着制氢技术和新材料技术的发展，目前已逐渐得到好的解决。美国通用公司现已在销售7kW住宅用燃料电池电站，Edison国际公司已开发成功250kW的燃料电池与燃气轮机的联合发电系统;德国和法国的5家电力公司在柏林联手建设了欧洲第一个250kW燃料电池发电站。目前已开发出数百千瓦的PEMFC，运行时间已超过上万小时。此外，这种发电装置因具有隐蔽性好、可靠性高、机动性强等优点，许多发达国家已注意到其广阔的军用前景并在许多军事领域取得了成功的应用。在陆军方面，PEMFC主要应用于单兵作战通信电源(<100 W)、移动电站(100 W～500 W)和隐蔽性要求高的各类军事工程电源(500W～10 kW);在海军装备中主要用作舰艇辅助动力源、水下机器人电源和潜艇电源;而在空中主要用于无人驾驶侦察飞机。我们对PEMFC在固定式电站和军事领域上的应用必须保持高度关注。
中温磷酸型燃料电池开发时间早商业化最成熟，已建成200个200kW以上的固定式电站，实现了兆瓦级电站的试运行。200kW电站已运行超过40000h，经济性和可靠性表现良好。主要问题在于所用的催化剂抗CO性较差，在煤基型电站应用时需对煤气高度提纯以获得纯氢燃料。随着制氢工艺的成熟，PAFC会充分展现出在大功率电厂应用上的技术及成本优势。
高温型熔融碳酸盐燃料电池可采用含CO的氢气燃料，已在整体煤气化-燃料电池联合循环之中应用，并在兆瓦级的发电试验阶段进行了初步验证。该型电池在1950年后期形成概念，在1980～2000年期间即开始了200kW大电池堆的试运行，目前主要专注于现场试验和商业化运行的推广工作，已建成250kW到1MW的40个电厂，发电效率可达45%～48%，热电联供之后则能达到70%～80%的总效率。在未来MCFC将向10MW以上的电厂发展，并表现出极强的市场竞争力。该电池基本无NOx和SOx的污染物排放，更符合未来煤气化联合发电高效、环保的综合性要求。
另一高温型的固体氧化物燃料电池也可采用含CO燃料，近来在整体煤气化-燃料电池联合循环中得到显著发展。美国“FutureGen”项目中SOFC与热机的300kW级工程示范装置已连续运行超过6800h，发电效率已达52%，热电联供后则能达到80%以上。对40MW级SOFC和热机的混合系统已完成设计，即将进入工程施工阶段;50MW的示范应用报道表明SOFC除47.5%的电转换效率外，总的热电效率可接近85%。
燃料电池的多样性为未来发电路线提供了多重选择路径。从现有结果来看，MCFC已可应用于大功率电站的建设，SOFC则主要用于中等功率电站，PEMFC则面向小功率固定电站和移动电源。
（五）我国发展燃料电池发电技术的重大战略意义
1. 是应对国外发展与对核心技术垄断的挑战所需。
在目前复杂的国际环境下，高技术的垄断日趋严重，掌握清洁高效发电的高新技术对未来国家的能源和电力安全具有重要的战略意义。面对化石能源紧缺问题，发达国家都制定了高度重视战略石油储备，多方推进新能源技术开发，尽可能以国内能源安全降低能源国际依存风险的能源战略，普遍认为发展燃料电池DG是提高国家能源和电力安全的战略需要，同时不断加深了对能源领域核心技术的垄断与保密。美国于1995年就把燃料电池列为影响国家安全和经济繁荣的27个关键技术之一，其“前景21”计划的总目标是在未来通过燃料电池的核心转化，建成超清洁的能源转化系统，使转化效率大幅提高。日本的清洁煤能源战略计划2020～2030年为利用氢能的“零排放阶段”，开发以燃料电池发电为主的“零排放”能源发电技术，并与化工、钢铁等工业形成能源化学融合的新产业形态。目前，美、加、日、欧有数十家专门研发、生产制造燃料电池的公司，如加拿大的Ballard公司，其资产已达10亿美元。美、加、欧已将燃料电池应用于第三代潜艇，美国有数万台燃料电池发电站应用于宾馆、医院及居民小区，日本已建成11MW燃料电池发电厂。这种形势为我国的能源发展与安全提出了巨大的挑战，我们必须不失时机地进行燃料电池发电技术的研发，采取引进、消化、吸收和再创新的技术路线，以高起点在尽可能短的时间内形成自主产权的燃料电池发电关键技术。这对国家电力公司进行结构调整与技术创新，确保国家电力安全具有非常重要的意义。
2. 是为祖国统一大业提供安全电力供应所需。
今年来，虽然国民党在台湾重掌政权使得极为紧张的台海局势有所缓和，但以民进党为代表的台独分裂势力从未放弃台独活动，我们坚决不能掉以轻心。台湾问题如果受到各种外来因素的影响而不能和平解决，那势必会导致台海战争的发生。届时和台湾有着广泛而密切联系的美国必将介入，我们除了面对台湾的军队外还得面对美国的强权势力，美国的石墨炸弹完全可能会投向我国的电力系统。由于大陆电网覆盖区域广、人口多，战争破坏造成的大停电所带来的灾难性后果将更为严重。对此我们必须保持高度清醒的认识并制定相应措施防患于未然。由于燃料电池DG在战时的可靠性是其他任何系统所无法比拟的，因此加快发展燃料电池对保障国家安全，实现祖国统一具有非常重要的战略意义。
3. 是实现国民经济可持续发展的战略所需。
我国是一个发展中国家，电力工业在国民经济中的地位十分重要。大力发展燃料电池DG，确保电能的连续生产与稳定供应，是保持国民经济可持续发展的战略需要。利用燃料电池DG与现有大电网并网供电可以较好地解决电网调峰能力，缓解我国逐年加剧的供电能力的不足。此外，随着国际油价的不停上涨，发展燃料电池还可以充分利用我国丰富的煤炭和天然气资源，从根本上解决化石资源日益减少，以及因西方发达国家对化石资源的控制与掠夺对我国能源补给安全所造成的威胁。DG与大电网的联供还可大大提高电网的安全性。我国电网容量大、技术水平和可靠性还较低、抵御各种灾害的能力较差。随着MCFC、SOFC技术的突破、“西气东送”等天然气管线的铺通和大型煤气化技术的解决，应用各种燃料电池靠近负荷供电供热会更经济、更安全。对此，我国政府已把“燃料电池发电技术”列入国家《科技发展“十五”计划和2015年远景规划》。中国科学院已启动“大功率质子交换膜燃料电池发动机及氢源技术”战略计划，并与科技部为该技术投资逾1亿元人民币展开了研发工作。
（六）结语
21世纪将是氢能的世纪，燃料电池作为高效、清洁的氢能技术，已成为新世纪电力工业的重要发展方向之一，已受世界各国的高度重视。随着相关技术的成熟，燃料电池即将大规模全面进入社会，从军用到民用的开发应用前景十分广阔。对尚处于发展中的中国来说，研制和发展燃料电池是事关国家安全与国民经济可持续发展的必然需要与选择。在当前的电力工业发展中，我们应适当控制单机容量、电压等级、电网规模的发展，将有限的资源投入到燃料电池发电技术的研发中，使之早日实用化产业化，为国家能源以及国民经济的可持续发展提供有力的保障。
摘要：文章分析了分布式发电技术的优点和目前我国电力系统存在的问题, 综述了燃料电池分布式发电技术的工作原理、优点、分类、研发现状与前景, 讨论了我国加快发展燃料电池的战略意义, 指出燃料电池发电技术是21世纪电力工业的重要发展方向之一, 加快发展燃料电池是国民经济可持续发展的必然选择。
关键词：分布式发电,燃料电池,开发现状,战略意义
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燃料电池发电 篇2
倘若电力系统不及时进行研究开发，在未来几年内，有可能被国外企业和国内其它其它行业或民营企业占领燃料电池分散电源市
场。在市场经济条件下，国电公司既是用户，又是开发者。对于燃料电池这样重要的发电高新技术，应不失时机地着手研究开发，联合国内一些基础研究单位，争取纳入国家的攻关计划，获得国家支持，在尽可能短的时间内，形成燃料电池发电技术研究开发的优势，开发燃料电池发电关键技术和成套技术，形成国电公司的高新技术产业，既可优化调整电力结构，又能满足市场的不同需求。
3 国外燃料电池发展计划及商业化的.预测
研究美、日、欧洲等国家和地区燃料电池的发展进程及商业化的预测，对我们制定燃料电池的发展战略和预测应用前景会有一定的参考价值。
3.1美国燃料电池发电技术研究开发状况
(1)美国燃料电池发电技术的研究开发计划
，美国总统克林顿颁发了"改善气候行动计划”， 燃料电池被确定为一项关键技术，联邦政府为此制定了一项“美国联邦燃料电池发展计划”，目的是通过燃料电池的商业化来减少温室气体排放量。在这项计划中，对每一个燃料电池的新用户资助l000/KW的优惠。结果，仅在，就有42台200kw PAFC发电机组投入运行。
美国政府鼓励在一些对环境敏感的地区建立燃料电池发电站。此外，政府已促使美国所有的军事基地安装200KW燃料电池发电机组。通过这些措施，加速燃料电池的商业化，并提高国家能源的安全性。美国政府投入巨资研究开发燃料电池发电技术的另一个目的，就是要保持美国在这一领域的领先地位。随着商业化过程不断深入，将逐步形成新的高技术产业，为美国的经济注入新的活力，提供更多的就业机会。
美国DOE的燃料电池发展计划如下：
PAFC己商业化，不再投入资金进行研究开发。PAFC目前的发电效率为40%一 45%(LHV)，热电联产的热效率为80%(LHV)。
已完成250KW和2MW MCFC的现场示范，预计进行20MW的示范;左右，使250KW和MW级MCFC达到商业化;，燃用天然气的250KW一20MW MCFC分散电源达到商业化，100MW以上MCFC的中心电站也进入商业化; ，100MW以上燃煤MCFC中心发电站进入商业化。MCFC技术目标是运行温度为650℃，发电效率达到60%(LHV)，组成联合循环的发电效率为70%(LHV)，热电联产的热效率达到85%(LHV)以上。
目前，己完成25kw和100kw SOFC现场试验，正在进行SOFC的商业化设计。预计20左右，进行MW级SOFC示范;20左右，100kw一1MW SOFC进行商业化：20，250kw一20MW燃用天然气的SOFC以分布式电源形式进入商业化，100MW以上燃用天然气的SOFC以中心电站形式进入商业化;20，100W及以上容量的燃煤S0FC以中心电站的形式进入商业化。SOFC技术目标是：运行温度为1000℃，发电效率达到62%(LHV)，组成联合循环的发电效率达到72%(LHV)，热电联产的热效率达到85%(LHV)以上，燃煤时发电效率可达到65%(LHV)，这一目标预计2010完成。
美国是最早研究开发PEFC的国家，但在大容量化和商业应用方面已落后于加拿大。目前美国生产的质子交换膜仍居世界领先水平。美国在PEFC的开发方面是面向家庭用分散式电源，实现热电联供。Plug Power公司与GE合作，计划使10kw PEFC进入商业化，价格达到S750-1000/kw，大批量生产后，使PEFC的价格达到$350/kw。
(2)市场预测
美国能源部(DOE)对美国潜在的燃料电池市场的预测认为：在20一2010年，美国年需求燃料电池发电容量约2335MW一4075MW。现在美国的燃料电池年生产能力为60MW，商业化的价格为$一$3000/kw，若年生产能力达到100MW/a，商业化的价格则可达到$l000-$1500/Kw。 若能达到(2000-4000)MW/a的生产能力，燃料电池的原材料费仅$200一$300/kw。那么燃料电池的价格则有可能达到$900-$l100/kw，此时可完全与常规的发电方式竞争。
3.2 日本燃料电池发电技术的发展进程及应用前景预测
(1)发展进程
日本在PAFC研究方面，走的是一条引进合作、消化吸收、再提高的路线。1972年东京煤气公司从美国引进两台PAFC燃料电池发电机组，大阪煤气公司也在1973年引进两台PAFC机组。日本政府于1981年设立了以开发节能技术为宗旨的“月光计划”，燃料电池发电是其中一项重要内容。此后，日本国内的电力公司、煤气公司和一些大型的制造厂纷纷投入燃料电池的研究开发，并与美国IFC合作，使日本的PAFC得到更大的发展。目前，日本的 PAFC技术已赶上了美国，商业化程度超过了美国。5MW(富士电机制造)和11MW(东芝与IFC 合制)均在日本投运，日本公司制造的PAFC机组已运行了近100多台。
日本有关MCFC的研究是从1981年开始的，通过自主开发并与美国合作。1987年10kw MCFC开发成功，1993年100kw加压型MCFC开发成功，19开发出1MW先导型MCFC发电厂，并投入运行。MCFC已被列为日本“新阳光计划”的一个重点，目标
是一2010年，实现燃用天然气的10MW一50MW分布式MCFC发电机组的商业化，并进行100MW以上燃用天然气的MCFC联合循环发电机组的示范，2010年后，实现煤气化MCFC联合循环发电，并逐步替代常规火电厂。
日本的SOFC技术也是从1981年的“月光计划”开始研究的，立足于自主开发。1989年一1991年，开发出l00W一400W SOFC电池堆，1992年一年开发出l0kw平板型SOFC。SOFC的研究进展也远远落后于NEDO原来的计划。 “新阳光计划”中预计20一2010年，使SOFC达到MW级，并形成联合循环发电。日本的PEFC也被列入“新阳光计划”，目前开发的容量为(1-2)kw。
(2)政府采取的措施
日本政府在“月光计划”和“新阳光计划”中，先后资助了3台200kw、2台lMW和l台5MW的PAFC;1台100kw和1台1MW的MCFC示范电站研究开发、建设及运行。
在通产省和NEDO的统一组织和管理下，使公用事业单位(电力公司和煤气公司)和开发商及研究单位紧密结合，实现燃料电池研究开发和商业示范应用一体化。日本电力公司和煤气公司，过去十年来安装了约80多台燃料电池机组，装机容量达到20.1MW，燃料电池及 电厂的费用主要由业主承担，但是制造商和政府也各承担一部分。这种政府和企业联合研 究开发的方式促进了日本燃料电池的发展。使用燃料电池发电享有许多优惠政策：燃料电池的相关设备，在未超过一定规模时，其工程计划仅须申报即可动工。对500kw以下的常压燃料电池生产与使用的审批手续大大简化。在医院、旅馆、办公大楼等安装的燃料电池发电机组，政府提供的经费资助。新建的燃料电池发电设备享有10%的免税额，并获有30%的加速折旧。对装设于电力公司或自备发电用的燃料电池项目，日本开发银行将提供投资额40%的低息贷款。
(3)市场预测
1990年，日本通产省发表了“长期电源供需展望”报告，预计日本国内的燃料电池发电容量到2000年约2250MW;2010年约10720MW，电力系统用5500MW，其中约有2400MW是 MCFC和SOFC高温型燃料电池;2010年煤气化MCFC和SOFC达到实用化;发电效率达到50%一60%。由于燃料电池发电技术仍有许多技术上的难题没有突破，进展速度低于预期值，因此日本目前已将原目标做了修正，预计2000年燃料电池装机容量将达到200MW，其中分布式电源l12MW，工业用热电联产型为88MW;2010年将达到2200MW，其中分布式电源型为 735MW，工业用热电联产型为1465MW。
3.3其它国家和地区的发展进程
目前，欧洲的燃料电池发电技术远远落后于美国和日本。80欧洲又重新开始研究燃料电池发电技术。它们采用向美国、日本购买电池组，自行组装发电厂的方式来发展PAFC发电技术。1990年成立了一个“欧洲燃料电池集团(EFCG)”。意大利已完成了一座1MW的PAFC示范工程，由IFC供应，BOP由欧洲制造。意大利、西班牙与美国IPC合作，于1993年在米兰建了一座l00kw MCFC电厂，投运。德国正在开发250kw MCFC。德国西门 子公司于19收购了美国西屋公司的管形SOFC技术后，现在拥有世界上最先进的平板型和管形SOFC技术。
加拿大在PEFC方面居世界领先地位，在继续开发交通用PEFC的同时，目前也将PEFC应用于固定电站，已建成250kw PEFC示范电站，目标是在近几年内使250kw级PEPC商业化。澳大利亚在1993年一1997年，共投资3000万美元，研究开发平板型SOFC，目前正在开发(20一25)kw SOFC电池堆。韩国电力公司于1993年从日本购进一座200kw PAFC进行示范运行。
3.4 国外发展燃料电池发电技术的经验总结
回顾国外燃料电地发展的道路，有许多值得我们吸取和借鉴的经验。下面归纳几点：
美国在燃料电池发电技术的研究开发方面始终处于世界领先地位。除了雄厚的财力之外，还有三方面重要的原因：一是政府将燃料电池发电技术视为提高火力发电效率、减少污染物和温室气体排放的重要措施，列入政府的“改变气侯技术战略”中，并大力投入资金和力量研究开发;二是燃料电池技术提高到“国家能源安全并大力投入资金和力量研究开发;二是将燃料电池技术提高到“国家能源安全关键技术”的战略高度，DOD和DOE均投入资金研究开发;三是对燃料电池的应用前景充满信心，希望能形成新的高技术产业，给美国的经济注入新的活力，政府和企业共同投入资金研究开发，力图保持领先地位。
日本走的是一条通过与美国合作、引进技术并消化吸收实现产业化的路线，并在PAFC的商业化方面己超过了美国，在MCFC的研究开发方面也接近美国。成功的重要经验也是政府对燃料电池给予高度重视，先后列入了“月光计划”和“新阳光计 划”，大力投入研究开发。另一条经验是研究机构、企业和用户联合，组成从研究、开发到商业应用一体化集团，既承担研究开发的风险，也享受成功的优惠。
加拿大Ballard公司在PEFC方面成功的经验告诉我们：只要坚定不移地进行研究开发，一个小公司也能在10-20年内成为举世瞩目的燃料电池技术拥有者。
燃料电池起源于欧洲，但是，现在欧洲的燃料电池技术已远远落后于美国和日本。主要原因是政府和企业对燃料电池发电技术重视不够。目前，欧洲已经意识到这一点，成立了-个燃料电池发电技术集团，引进美国、日本的技术，并进行研究开发。 >
4 各种燃料电池发电技术综合比较
(1)AFC：与其它燃料电池相比，AFC功率密度和比功率较高，性能可靠。但它要以纯氢做燃料，纯氧做氧化剂，必须使用Pt、Au、Ag等贵金属做催化剂，价格昂贵。电解质的腐蚀严重，寿命较短，这些特点决定了AFC仅限于航天或军事应用，不适合于民用。
(2)PAFC：以磷酸做为电解质，可容许燃料气和空气中C02的存在。这使得PAFC成为最早在地面上应用或民用的燃料电池。与AFC相比它可以在180℃一210℃运行，燃料气和空气的处理系统大大简化，加压运行时，可组成热电联产。但是，PAFC的发电效率目前仅能达到40%一45%(LHV)，它需要贵金属铂做电催化剂;燃料必须外重整：而且，燃料气中C0的浓度必须小于1%(175℃)一2%(200℃)，否则会使催化剂中毒;酸性电解液的腐蚀作用，使PAFC的寿命难以超过40000小时。PAFC目前的技术已成熟，产品也进入商业化，做为特殊用户的分散式电源、现场可移动电源和备用电源，PAFC还有市场，但用作大容量集中发电站比较困难。
(3)MCFC：在650℃一700℃运行，可采用镍做电催化剂，而不必使用贵重金属：燃料可实现内重整，使发电效率提高，系统简化;CO可直接用作燃料;余热的温度较高，可组成燃气/蒸汽联合循环，使发电容量和发电效率进一步提高。与SOFC相比，MCFC的优点是：操作温度较低，可使用价格较低的金属材料，电极、隔膜、双极板的制造工艺简单，密封和组装的技术难度相对较小，大容量化容易，造价较低。缺点是：必须配置C02循环系统;要求燃料气中H2S和CO小于0.5PPM;熔融碳酸盐具有腐蚀性，而且易挥发;与SOFC相比，寿命较短;组成联合循环发电的效率比SOFC低。与低温燃料电池相比，MCFC的缺点是启动时间较长，不适合作备用电源。MCFC己接近商业化，示范电站的规模已达到2MW。从MCFC的技术特点和发展趋势看，MCFC是将来民用发电(分散电源和中心电站)的理想选择之一。
(4)SOFC：电解质是固体，可以被做成管形、板形或整体形。与液体电解质的燃料电池(AFC、PAFC和MCFC)相比，SOFC避免了电解质蒸发和电池材料的腐蚀问题，电池的寿命较长(已达到70000小时)。CO可做为燃料，使燃料电池以煤气为燃料成为可能。SOFC的运行温度在1000℃左右，燃料可以在电池内进行重整。由于运行温度很高，要解决金属与陶瓷材料之间的密封也很困难。与低温燃料电池相比，SOFC的启动时间较长，不适合作应急电源。与MCFC相比，SOFC组成联合循环的效率更高，寿命更长(可大于40000小时);但SOFC面临技术难度较大，价格可能比MCFC高。示范业绩证明SOFC是未来化石燃料发电技术的理想选择之一，既可用作中小容量的分布式电源(500kw一50MW)，也可用作大容量的中心电站(>l00MW)。尤其是加压型SOFC与微型燃气轮结合组成联合循环发电的示范，将使SOFC的优越性进一步得到体现。
(5)PEFC：PEPC的运行温度较低(约80℃)，它的启动时间很短，在几分钟内可达到满负荷。与PAFC相比，电流密度和比功率都较高，发电效率也较高(45%一50%(LHV))，对CO的容许值较高(<10ppm)。PEFC的余热温度较低，热利用率较低。与PAFC和MCFC等液体电解质燃料电池相比，它具有寿命长，运行可靠的特点。PEFC是理想的可移动电源，是电动汽车、潜艇、航天器等移动工具电源的理想选择之一。目前，在移动电源、特殊用户的分布式电源和家庭用电源方面有一定的市场，不适合做大容量中心电站。
5 结论
选择适合于我国电力系统发展的燃料电池发电技术，应综合考虑以下几点：较高的发电效率;环保性能好;既能作为高效、清洁的分布电源，又具有形成大容量的联合循环中心发电站的发展潜力;既能以天然气为燃料，又具有以煤为燃料的可能性;技术的先进性及商业化进程;运行的可靠性和寿命;降低造价的潜力;国内的基础。综合考虑以上几点，对适合于我国电力系统发展的燃料电池发电技术，提出以下几点选择意见：
(1)优先发展高温燃料电池发电技术。即选择MCFC和SOFC为我国电力系统燃料电池发电技术的主要发展方向，这两种燃料电池既能以天然气为燃料作为高效清洁的分布电源，又具有形成大容量的联合循环中心发电站(以天然气或煤为燃料)的发展潜力。
(2)MCFC和SOFC各有特点，都存在许多问题，尚未商业化。若考虑技术难度和成熟程度以及商业化的进程，对于MCFC，应走引进、消化吸收、研究创新，实现国产化的技术路线，并尽快投入商业应用：对于SOFC，应立足于自主开发，走创新和跨越式发展的技术发展路线。
(3) 随着氢能技术的发展，PEFC在移动电源、分散电源、应急电源、家庭电源等方面具有一定优势和的市场潜力，国家电力公司应密切跟踪研究。
(4) AFC不适合于民用发电。PAFC技术目前已趋于成熟，与MCFC、SOFC和PEFC比较，已相对落后。因此，AFC和PAFC不应做为国家电力公司研究开发的方向。
参考文献
[1] 许世森，朱宝田等，在我国电力系统发展的燃料电池发电的技术路线和实施方案研究， 国家电力公司热工研究院，.12
作者简介：
燃料电池的激情 篇3
早在200多年前，英国人戴维就首先提出了燃料电池的原理，在30多年后的1839年，另一位英国人格罗夫第一个制作出了氢一氧燃料电池。但是直到上个世纪末，燃料电池才以它独特的优点得到了世界越来越多的关注和研究，成为能源技术研究的舞台上最激情四射的舞者。
《美国向氢经济过渡的2030年远景展望报告》将开发燃料电池技术，特别是开发氢能技术。列为涉及国家安全的技术之一，提出要走以氢能为能源基础的经济发展道路。此外，美国能源部制定了“氢计划”，计划在2010年实现燃料电池汽车氢燃料的市场份额达到25％。
对这个存在了两个世纪的“老技术”，我们是否应该给予更多的重视，也许，它真会是一个不错的商业机会!
燃料电池原理
燃料电池由燃料、氧化剂、电极和电解质四个主要部分组成。常用的燃料有氢、甲醇、液氨和天然气等，氧化剂主要为空气中的氧。由电催化剂和防水剂组成的“燃料电极”(负极)和“氧电极”{正极)是燃料电池的重要部件，正负两极由电解质隔开。在电催化剂(目前主要为铂金属，约占燃科电池一半以上的成本)的作用下，分布在两个电极上的燃料和氧化剂与电解质一起发生化学反应，产生的电子由导线引出，这样就发出电了。只要不断地有燃料和氧化剂输入，燃料电池就可以持续地供电，而不像干电池和蓄电池那样随着反应物消耗殆尽就寿终正寝了。从本质上说，燃料电池是一种发电装置，它和普通电池一样是将化学能转化为电能，但是人们习惯上更喜欢称之为“电池”。
广泛的应用
高效、洁净是燃料电池的最大特点，但是更具魅力的是它的应用领域非常广泛。根据工作温度和发电功率的不同，燃料电池的应用领域可分四类：
1、大型发电。可替代火力、水力或核能发电，用于商业发电和工业生产；
2、住宅发电。可建在公寓、办公楼等地带，用于分散发电和余热利用；
3、航天航海及变通运输。用于宇宙飞船、潜艇、机器人、汽车、交通艇等的动力系统；
燃料电池发电 篇4
微网是将分布式电源、负荷和储能装置等集合而成的一个可控单元[1,2,3,4]。燃料电池由于清洁、低噪音、负载能力强且不受地域限制的优点,作为分布式电源具有广泛的应用前景。而SOFC由于无泄漏、综合利用效率高和寿命长等优点,引起人们的普遍关注,是燃料电池研究的热点和重点[5,6,7,8]。已有不少文献对SOFC的电化学特性和模型进行了研究,文献[9-10]分别提出了平板状固体氧化物动态模型和管状固体氧化物暂态模型;针对SOFC在电力系统中的应用,文献[9-13]研究了燃料电池的并网模型,但对逆变器控制策略研究较为简单。随着对燃料电池研究的深入,对燃料电池分布式发电和其在微网的应用研究逐渐增加。文献[13-14]分别研究了燃料电池和其他微源组成的混合发电系统的特性,文献[13]直接将蓄电池等效为电压源与燃料电池在直流母线侧并联,采用的逆变器模型控制方法较简单;文献[15]建立了含光伏阵列和质子交换膜燃料电池的微网模型,但文中没有涉及蓄能设备。现有文献多将燃料电池与其他微源结合研究,SOFC本身的控制方式比较简单,较少对含SOFC的微网特性进行分析和处理。
本文根据微网的并网、孤岛及2种模式的转换的要求,建立了包含SOFC、BOOST变换器、DC/AC逆变器、蓄电池(BESS)、DC/DC双向变换器和滤波器6部分的SOFC发电系统整体模型,并提出适应于各种运行状态的控制策略。比较不同燃料控制方式下SOFC的输出特性,考虑负荷电流反馈用以控制输入到燃料处理器中的燃料流量,选择采用定燃料利用率方式。利用开环传递函数相位裕量和增益裕度变化曲线设计BOOST变换器和蓄电池DC/DC变换器的控制参数。DC/AC逆变器在内环电流控制中设置重连同步,实现平滑并网。利用PSCAD/EMTDC搭建包含SOFC发电系统的微网模型,仿真分析了正常运行、模式转换以及短路故障时SOFC的响应特性,验证了本文提出模型的正确性及良好的适应性。
1 SOFC的特性及模型
1.1 SOFC建模
燃料电池将化学燃料(多为富氢气体)中的化学能直接转化为电能,只要有燃料和氧化剂供给,就能持续不断地供电。SOFC由阳极(燃料极)、阴极(空气极)和两极间的电解质组成,工作温度相对较高,一般在600~1000℃。在阳极一侧持续输入燃料,阳极表面吸附燃料,并扩散到阳极与电解质界面。在阴极一侧持续通入O2或空气,具有多孔结构的阴极表面吸附氧,由于阴极本身的催化作用,使得O2得到电子变为O2-,在化学势的作用下,O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体,由于浓度梯度引起扩散,最终到达固体电解质与阳极的界面,与燃料气体发生反应,失去的电子通过外电路回到阴极[5,10]。
SOFC可采用定燃料输入流量和定燃料利用率两种控制方式[16]。前一种控制方式下,燃料输入流量为常数,负荷电流变化不影响燃料输入流量;而后一种控制方式下,为使燃料利用率保持不变,须将负荷电流反馈用以控制输入到燃料处理器中的燃料流量,从而将负荷和燃料输入量联系起来。本文SOFC模型采用定燃料利用率方式,其框图如图1所示。
图1中SOFC负荷电流Ifc作为反馈引入,经过时间常数为Te(Te=0.8 s)的一阶惯性环节得到SOFC堆电流I,其中时间常数Te表示燃料电池的电动态响应时间[17]。堆电流I、燃料利用率uopt和氢气反应系数Kr经表征燃料处理器化学反应过程的一阶惯性环节(Tf=5 s)后生成氢气流量qH2in,再根据氢氧比率rHO得到氧气流量qO2in ,氢气和氧气流量单位为mol/s。pH2、pO2和pH2O是氢气、氧气和水蒸气的压力,atm;E0、ηohm、ηact和ηcon分别为电池单元标准电动势、欧姆极化损失、活化极化损失和浓度极化损失,V。上述变量的公式推导见参考文献[5,10,16]。若采用定燃料输入流量控制,仅须删掉图1中虚线部分,氢气和氧气流量为给定常量。
1.2 SOFC特性分析
定燃料输入流量和定燃料利用率两种控制方式下的稳态特性(V-I特性和P-I特性)如图2所示,参数见附录A。定燃料输入流量方式下,SOFC的V-I特性呈非线性,两端电压下降明显,其输出功率在电流增加到600 A时达到峰值。定燃料利用率方式下,电池电压随电流的增加逐渐减小,输出功率则随电流的增加呈上升趋势,实际运行中SOFC的输出功率和电压需相互匹配。根据图1所建立的SOFC模型在两种控制方式下的V-I和P-I曲线与文献[9]中曲线的变化趋势一致,可见本文的SOFC模型能有效和正确地反应燃料电池内部特性。
进一步分析负荷电流改变时,SOFC的动态特性。图3为t=50 s时负荷电流从300 A增加到500 A时,SOFC的输出电压、功率、输入氢气和氧气流量的变化曲线。当负荷电流发生阶跃变化时,氢气和氧气流量则需约15 s达到新的稳态值;而燃料电池电压和功率变化比较缓慢,需要接近200 s才能完全达到稳态值,但是在20 s多后电压和功率变化已经很小。
2 SOFC发电系统整体模型及控制
SOFC发电系统整体模型如图4所示,由SOFC模块、BOOST变换器、DC/AC逆变器、蓄电池、双向DC/DC变换器和滤波器6个部分构成。根据燃料电池的电化学特性,燃料电池输出低压直流电,而且输出电压随着负荷或温度的变化具有较大变化范围[18],因而后级采用BOOST直流变换电路,以满足逆变器稳定运行所需的直流母线电压。由前述分析可知燃料电池的功率调节速度慢,不能承担快速负荷变化,为此在SOFC系统直流侧并联蓄电池,利用双向DC/DC变换器实现储能蓄电池的充放电控制。SOFC模块和蓄电池经同一逆变器并入交流电网,LC滤波器用于滤除高频电压谐波。
2.1 BOOST变换器控制
由图4可见BOOST变换器的控制系统,直流电压偏差信号经PI环节再由PWM调制后,得到占空比控制功率开关Sfc动作。图5为BOOST变换器的闭环传递函数框图[19,20],电压反馈控制函数Gc(s)采用PI滞后补偿,得BOOST变换器控制系统的开环传递函数为
式中:D=1-Vfc N/Vdc N为额定运行状态下BOOST变换器的占空比(下标N表示额定值);L和C分别为输入电感和输出电容;R为负载等效电阻;Vm=1.0为PWM调制器的锯齿波幅值;kp和ki为PI补偿环节参数。取R=6.4Ω(详细参数见附录B),作BOOST变换系统的开环传递函数相位裕量和增益裕量随kp和ki变化的曲线(图6)。图中A、B点分别对应于增益裕量Gm=10 d B和相位裕量Pm=45°,由图可见相位裕量和增益裕量随kp和ki增加基本呈上升趋势,仅图6(a)中相位裕量在kp=0.083时出现峰值C点后开始下降。系统稳定裕度较小时将导致较大超越量和调节时间,本文模型中取kp=0.08和ki=2以保证直流变换具有足够的相位和增益裕量。
2.2 双向DC/DC变换器控制
蓄电池作为快速响应电源通过双向DC/DC变换器在直流母线侧与燃料电池并联,以提高SOFC系统的功率调节速度。双向DC/DC变换器拓扑结构为半桥型两象限直流变换结构(图4),充电时直流变换器处于Buck工作模式,功率开关Sup关断、Sdown工作;放电时变换器处于Boost工作模式,功率开关Sdowm关断、Sup工作。
双向DC/DC变换器目标为保证直流母线电压满足逆变要求,采用电压反馈PI补偿控制,参数选取方式与2.1节相同。蓄电池的充放电频率与运行寿命关系密切,本文研究中采用直流母线电压滞环充放电控制策略[21],能减少冗余的充放电次数,提高系统整体寿命。图7为电压滞环充放电模式控制框图,其中低通滤波环节时间常数Tu设置为0.02 s。
2.3 DC/AC逆变器控制
为满足SOFC整体系统在微网的并网和孤岛两种模式中正常运行和平滑切换,DC/AC逆变器采用V/f下垂控制,其下垂特性可用数学表达式表示为
式中:P0和Q0分别为初始输出有功和无功功率;E0为PCC节点的初始电压;a、b为下垂系数。V/f下垂控制通过检测自身输出功率与给定功率比较,再根据下垂系数得到电压频率和幅值的指令值,由此实现DG间有功和无功功率的自动分配。通过合理设置下垂系数以保证SOFC系统在不同运行状态下输出电压幅值和频率均在较小范围内变化。图4中电压合成环节将得到的电压幅值参考量E和频率参考量f,按照Em=E,ω=2πf得到电压参考值:
逆变器外部为功率控制环,内部采用电流内环和电压外环双闭环控制,控制模块中包含重连同步环节,作用于孤岛微网与大电网重连阶段。同步环节将PCC节点两侧电压幅值差ΔV和相位差Δδ输入作为孤岛到并网同步过程的修正信号,经过PI调节后叠加到下垂控制环节的输出量E和f以实现同步[22]。
3 仿真分析
在PSCAD/EMTDC中建立图8所示的微网模型(参数见附录),其中SOFC发电系统为微源,BESS为储能元件。对所建的微网模型进行并网和孤岛以及两种模式间切换的动态仿真。
微网在t=6 s时由并网切换到孤岛,孤岛模式下由SOFC提供电能,蓄电池通过双向DC/DC变换器自动充放电,两者配合实现保证本地负荷的稳定供电;t=7.7 s时开始将PCC微网侧电压幅值、相位和大电网侧电压幅值、相位同步,t=8 s时微网由孤岛回到并网模式。
图9反映了SOFC发电系统从t=6 s断开与大电网连接到t=8 s重新接入大电网过程中输出功率变化情况。并网时微网的本地负荷从大电网吸收部分功率,因此断开联系后SOFC发电系统输出的有功和无功功率增加。微网运行模式切换时系统频率变化如图10所示。孤岛运行时,SOFC电池堆和蓄电池相互配合保证了孤岛微网的稳定运行,微网频率根据有功增量和下垂系数小幅减小;重连同步时,由于PCC两侧相角差Δδ初始值为负值,同步过程初期出现了短时的频率降落。
图11中t=6 s时微网转换到孤岛模式,由于SOFC功率响应速度较慢不能快速跟踪负荷变化,BESS转入放电状态补偿功率缺额。当t=8 s时微网转换至并网模式,同时BESS转入充电状态吸收多余的功率,约15 s后SOFC输出功率稳定降至15k W,蓄电池停止充电。图12中PCC微网侧电压经0.3 s的同步过程后与PCC大电网侧电压相位和幅值保持一致,重连成功后SOFC微源的输出功率恢复至孤岛前的出力状态。
4 结论
本文通过研究SOFC在定燃料利用率和定燃料流量两种控制方式下的稳态特性,以及负荷电流改变时的动态特性,表明了SOFC动态响应时间慢的特点。蓄电池通过双向DC/DC变换器与SOFC在直流母线并联,解决了SOFC动态响应速度慢的缺点。DC/AC逆变器采用V/f控制方式,能够使包含SOFC发电系统的微网稳定运行于孤岛和并网模式并在两种模式下相互转换。通过仿真表明,本文提出的SOFC发电系统模型能正确反应SOFC的电化学特性,控制策略效果良好,能在微网各种运行条件下保证微网的稳定运行。
附录A SOFC模型参数
SOFC电池堆模型参数如下[2,3,7]:法拉第常量F=96 485 C/mol;通用气体常量R=8.314 J/(mol·K);串联电池数N0=384;常数Kr=0.996×10-3 mol/(s·atm);最优燃料利用率uopt=0.85;氢气反应时间τH2=26.1s,氧气反应时间τO2=2.91 s,水蒸气反应时间τH2O=78.3 s;氢气阀摩尔常数KH2=0.843 mol/(s·atm),氧气阀摩尔常数KO2=0.281 mol/(s·atm),水蒸气阀摩尔常数KH2O=2.52 mol/(s·atm);电池工作温度Ts=1273 K;氢氧比率rOH=1.145;Tafel常数a=0.05,Tafel斜率b=0.11;Ts=1 273 K时SOFC内部电阻r0=0.126Ω;电阻温度系数α=-2 870;限制电流IL=800 A,电流方向垂直截面积Afc=0.1 m2;电池堆额定电压VN=260 V,额定功率PN=100 k W。
附录B微网模型参数
含SOFC发电系统的微网模型参数如下:
1)BOOST变换器参数:直流母线电压Vdc N=800 V,电感Lfc=0.6 m H、电容Cfc=3 000µF,PI补偿参数kp=0.08、ki=2;
2)蓄电池参数:容量Ebess=50 k Wh,直流电压Vbess=400 V;
3)双向DC/DC变换器参数:电感Lbess=3 m H,Buck充电模式与Boost放电模式的PI补偿参数相同,kp=0.1、ki=1.2;
4)逆变器和LC滤波器参数:频率下垂系数m=-0.04 Hz/k W,电压下垂系数n=0.36 V/kvar,滤波电容Cf=250μF,电感Lf=0.9 m H;
5)本地负荷参数:敏感负荷PL+j QL=35+j10k VA;
6)线路参数:所有0.4 k V线路单位参数相同ZL=0.642+j0.083Ω/km,L1=300m,L2=50 m;
7)变压器参数:额定容量ST=250 k VA,VI/VII(Yn/△)=0.4/10.5 k V,XT=0.05 p.u.,RT=0.01 p.u.;
8)变电站参数:额定电压10.5 k V,短路容量20 MVA,X/R=10。
摘要：根据固体氧化物燃料电池(SOFC)的电化学特性和微网的运行要求,建立了含SOFC、BOOST变换器、蓄电池(BESS)、双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器和滤波器6部分的SOFC发电系统整体模型,提出了适应各种运行状态的控制策略。DC/AC逆变器采用V/f下垂控制,包含内环电流和外环电压;逆变器控制模块中包含重连同步环节,作用于微网从孤岛到并网模式的平滑转换。为了提高SOFC的动态响应速度,在直流母线侧并联储能蓄电池,采用双向DC/DC变换器的滞环充放电控制来提高功率调节速度。构建了包含SOFC发电系统的微网模型,并网、孤岛以及两种模式间切换时的仿真结果表明所提出的SOFC发电系统模型能正确反映SOFC的电化学特性,控制策略效果良好,能在微网各种运行条件下保证微网的稳定运行。
燃料电池的新进展 篇5
2.5-230
4550
8200
0-0.12
NOx
1800
3200
3200
63-107
烃类
20-1270
135-5000
30-104
14-102
尘末
0-90
45-320
365-680
0-0.14
3.高度可靠性燃料电池发电装置由单个电池堆叠至所需规模的电池组构成。由于这种电池组是模块结构，因而维修十分方便。另外，当燃料电池的负载有变动时，它会很快响应，故无论处于额定功率以上过载运行或低于额定功率运行，它都能承受且效率变化不大。这种优良性能使燃料电池在用电高峰时可作为调节的储能电池使用。
4.比能量或比功率高
5.适用能力强
燃料电池可以使用多种多样的初级燃料，如天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油；也可使用发电厂不宜使用的低质燃料，如褐煤、废木、废纸，甚至城市垃圾，但需经专门装置对它们重整制取。虽然燃料电池有上述种种优点，然而由于技术问题，至今一切已有的燃料电池均还没有达到大规模民用商业化程度。为此，美、日等国相继拨出巨资来发展燃料电池。
燃料电池开发现状与发展趋势
在燃料电池研究开发方面，美国、日本和德国处于世界领先地位。美国早在1967年就制定了TARGET和FCG-1燃料电池研究发展计划。近年美国能源部对燃料电池研究资助每年均在2000万美元以上。日本在1981年制定了“月光计划”，进行燃料电池研究。1989年欧洲燃料电池集团成立。
在所有燃料电池中，磷酸盐型燃料电池(PAFC)由于磷酸易得，反应温和，成为发展最快、研究最成熟的一种燃料电池。1977年美国通用公司首先建成兆瓦级PAFC发电站。1991年日本电力公司在东京湾兴建的1MWPAFC发电站也已投入运行。目前美国已有少量销售，其商品化阶段已经开始。
熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)正处于10-20KW向兆瓦级发展阶段。1994年12月美国已建成迄今最大功率为250KW的MCFC电站。日本1989年已完成25KW的.MCFC试验，按其“新阳光计划”-1MW的MCFC中间试验电厂现正在实施中。
聚合物电介质燃料电池(PEMFC)不仅是人造卫星上可靠、低成本的动力源，还可作为陆地上市区交通车辆和水下潜艇的动力源。美国能源合作公司推出实验型的由三块薄膜组成的以1.5KWPEMFC为动力的“绿色轿车”。德国奔驰公司在前两年开发出NECARⅡ存储式燃料电池驱动电车(燃料电池生产电能为250KW，一次行程为250公里)，并在慕尼黑、斯图加特市作为试行公共电车之后，在8月又作为世界首创，开发出NECARⅢ燃料电池驱动电车。它用质子交换膜(PEM)燃料电池为动力，以甲醇为原料，通过车辆后部的反应器产生氢气，再以氢和空气中氧反应产生电能来驱动，当压下踏脚板后，在不到2秒的时间内动力系统的能量将达到90%，其最大行程为400公里，预期投放市场。最近，DaimlerChrysler设计的燃料电池和电池混合引擎轿车NECAR4由于具有零污染、宽阔的操作范围和良好的驾驶特性等最佳的设计而获得北美“国际引擎年奖”。新近美国BallardPowerSystem开发的第二代燃料电池公共客车已在芝加哥运行。美国至今已开发的具有代表性的运输用的燃料电池公共客车、轿车已达30多种。
第三代燃料电池SOFC正在积极研制开发中，1991年6月美国能源部和威斯汀豪斯公司投资1.4亿美元加速固体燃料电池的商业化。目前美国西屋公司处于SOFC领先地位，它们所制造的一个由576个管式SOFC组成的25KW发电系统已创13000多小时运行的世纪记录。其下一步计划是建立100KW的SOFC热电联产系统交付荷兰/丹麦电力公司使用。目前美国已有5KW的SOFC产品出售。一些公司还打算把SOFC和储氢合金结合起来，用于开发汽车用燃料电池。
近年因环境保护要求而新兴起的生物电池，用生物原料(包括林场杂木、稻草、麦杆、玉米杆、青草、草垃圾、含能源的植物、动物粪便等)生产电能。即将生物原料通过反应器转换成燃烧气体(主要是H2、CO、CH4)，经加工处理后作为燃料电池的原料用于建立分散电站，供家庭或城市用电；也可转换成H2，用于电动汽车。据〈ModerPowerSystem〉报道，一个以垃圾场生产的燃料气体为燃料的燃料电池厂正在美国康涅狄州格罗顿镇运行，它生产国际燃料电池公司的200KW磷酸燃料电池。该电池厂装有燃料洁净系统，使垃圾场的燃气在进入燃料电池堆之前已被去除掉其中的氯化合物、硫化合物和共它污染物。目前德国巴伐利亚州的BadBruckenan正在建造一个生物能源-氢气工程。
燃料电池中另一亮点是细菌电池。其基本原理是通过细菌发酵，把酸或糖类转化为氢气，再将氢导入磷酸燃料电池后发电。美国1984年设计出一种供遨游太空用的细菌电池，原料是宇航员的尿液和活细菌。日本也研制过用特制糖浆作原料的细菌电池。
燃料电池今后的发展方向除了电动车辆(包括工交车辆、拖拉机、叉式装卸机、高尔夫车和军事车辆等)和热电站外，另一方向是使燃料电池小型化。燃料电池替代普通电池在膝上电脑、便携式电子器件等方面的应用列于表4。据《科学美国人》报道，美国洛斯阿拉芙斯国家实验室罗伯特.G.霍克最近研制成功微型燃料电池，其电池尺寸和价格可与传统的镍隔电池相比，重量仅为镍隔电池的一半，但供电能力为镍隔电池的50倍。预期这种微型燃料电池用于移动电话，可连续待机40天，而仅消耗不到2盎司的甲醇。霍克目前正把微电子技术引入微型燃料电池制作中，准备制作25μm厚的微型电池。另外，还有把燃料电池用于电子广告牌和电动自行车的报道。
表4燃料电池替代普通小电池在膝上电脑、便携式电子器件等方面应用
便携式烯料电池
Warsitz制作的便携式燃料民池电源
替代电池用的燃料电池
Ballard的燃料电池膝上电脑
AnHPower燃料电池电源公司提供的美国新泽西州高速公路广告牌
AnHPower燃料电池电源公司提供的职业电神摄像机
FrauniseISE发展的峰窝电话用微型燃料电池
教学用烯料电池
美国木醇研究所提供的教学用木醇燃料电池
Ecosoul提供的再生燃料电池教学用具
H-Tec提供的教学用太阳能-氢燃料电池
丰田宝马 共享燃料电池技术 篇6
宝马的诺伯特·雷瑟夫董事长表示：“丰田与宝马都拥有实现面向未来可持续发展的汽车产品战略的愿景。即将到来的技术变革，对于整个汽车行业既是巨大的挑战，同时也是难得的机遇。相信本次的合作对于两家公司今后持续的发展都将打下良好的基础。”
编辑观点 | 丰田宝马的联盟模式给车企带来了另一种合作方式，如今这个联盟又有了新的动作，真正的联盟是一种资源共享，是一种共赢，希望丰田宝马尽早开出果实，惠及消费者。
前1 0集中度达9 0 % 政策鼓励车企兼并重组
近日，工信部、财政部、发改委等部门联合发布《关于加快推进重点行业企业兼并重组的指导意见》（下称“《指导意见》”），汽车等九大行业被列入兼并重组之列。业内人士指出，此举将有利于解决中国汽车业产能利用率偏低的问题，提高汽车业资源利用率。该《指导意见》明确指出，推动整车企业横向兼并重组。鼓励汽车企业通过兼并重组方式整合要素资源，至2015年，前10家整车企业产业集中度达到90%，形成3家至5家具有核心竞争力的大型汽车企业集团。除领先地位较明显的上汽集团、东风汽车集团、长安汽车集团、一汽集团外，其他汽车集团均面临加速追赶，抑或做细分市场龙头的选择。
编辑观点 | 中国汽车业一直大而不强，弱势车企产能持续放空，优势企业却难以扩大产能，《指导意见》在政策上鼓励了车企兼并重组。也为中国汽车行业做大做强奠定了政策基础。
斯巴鲁、庞大联手成立销售公司
近日，庞大集团发布公告称，已经与斯巴鲁汽车（中国）有限公司的母公司日本富士重工业株式会社 （以下称“富士重工”）签署了《斯巴鲁汽车（中国）有限公司合资经营合同》，该合同的签订意味着斯巴鲁在华销售合资公司即将成立。随后，斯巴鲁在其全球及中国网站公布了该消息，据公告称，此举是为了强化中国国内的斯巴鲁销售体制，为实现2015年年销售10万辆目标。
庞大集团董事长庞庆华在接受媒体采访时表示，“与其说双方成立合资销售公司，不如说是庞大加入到斯巴鲁中国。”新销售公司的成立对于斯巴鲁和庞大集团而言都是利好消息。
编辑观点 | 一直苦苦追求在整车市场“发声”的庞大集团终于和斯巴鲁联姻成功，都说背靠大树好乘凉，希望双方的合作能够双赢。
美国NHTSA拟强制电动车加装行驶声响系统
美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）日前表示：未来将要求所有新的混合动力车以及电动汽车加装可发出声响的系统。由于纯电动车没有配备传统的燃油发动机，仅依靠电动马达驱动车辆，因此在行走时除了微微的电动声响之外，其他噪音微乎其微。在嘈杂的都市中无法使行人察觉车辆靠近，有造成车辆行人发生碰撞事故的可能。
鉴于此因，NHTSA考虑强制规定这类车辆在时速29km以上时使用声响系统来提醒周边的行人，且这个声响系统是不能关闭的。若NHTSA此规定未来确定上路执行，可能会再提高30美元的车辆成本同时也会增加车辆电池消耗，因此目前方案都还在初步研讨之中。
编辑观点 | 一直以来，“静音”都是纯电动汽车的优势，但是事情都有双面性，看来太过安静的行驶也会有不安全的潜在危险。但强加响声是不是也是一种噪音污染？
广汽三菱：进口和国产渠道合并
随着广汽三菱车型的不断引进和投放市场，相应的销售服务网络体系正在紧锣密鼓扩网布局中。日前，广汽三菱执行副总经理付守杰表示，截至2012年年底，广汽三菱在全国共建成62家销售网点，其大部分是由原广汽长丰、进口三菱以及广汽集团下属的销售网络渠道转化而来。三菱汽车早前曾表示，2013年将有更多的进口三菱经销商获得销售国产车型的授权资质，实现进口和国产三菱车型的并网销售。待到2013年年底，其销售服务网点将增加至130余家，实现销售服务网点数量的翻番。
据悉，2013年，广汽三菱将推出旗下第二款SUV车型，该车型定位于越野SUV，将与新劲炫定位的城市SUV共同征战SUV市场，以此实现广汽三菱5万辆的年销量目标。
编辑观点| 混乱的网络和销售渠道一直是三菱被人诟病的地方，此次进口、国产渠道的合并对于广汽三菱来说不失为一个良好的契机，希望广汽三菱借此契机发力国内的汽车市场。只是渠道整合还需要好的产品来支撑，这一点广汽三菱可不要忽略。
江铃引入福特SUV再战乘用车
就在长安福特忙着对即将上市的两款SUV进行市场造势时，江铃汽车于日前发布公告称，与福特汽车签订协议，将引入生产福特品牌SUV。
与福特在商用车领域进行了长达15年的合作后，江铃汽车终于可以如愿以偿地“迎娶”福特旗下的SUV车型，开始与福特汽车在乘用车领域进一步合作。而福特汽车也开始借由江铃汽车的乘用车生产资质，在长安福特之外再寻合作伙伴。
江铃汽车2012年实现净利15.44亿元，同比下滑17.49%。同时，2012年度，公司销售了20万辆整车，比2011年增长3%，包括57177辆福特品牌商用车，68540辆JMC品牌卡车，74291辆JMC品牌皮卡及SUV。
编辑观点 | 江铃利润的下滑，影响到其发展乘用车的速度，对此，福特SUV的导入不仅将进一步丰富其乘用车产品，还将有益于填补其自主研发的短板。
大众低价子品牌 中国产欧洲售
据路透社消息，大众汽车研发负责人表示：大众的低价子品牌车型可能将首先在中国投产。在此前的报道中，大众曾经表示这一低端子品牌生产的车型将在欧洲销售，生产基地在中国或者印度，预计新的几款车型将于2014年第四季度投入量产。
大众计划2015年左右发布新低价子品牌，定价在5000美元到10000美元之间，低于目前大众售价最低的Up！车型，与雷诺旗下的达西亚和日产旗下的达特桑竞争。哈肯贝格表示，未来如果该项目在大众内部通过审批，则考虑与在华合作伙伴共同致力于低价新车的项目。
编辑观点| 中国市场每年低价车销量超过300万辆，只可惜大众无意竞争该市场，将低价子品牌销售的地点放在欧洲，看来大众在此市场上的信心还略有不足。
通用标致雪铁龙联盟拟吸纳新合作伙伴
据外媒报道消息，通用汽车和标致雪铁龙有意将双方的联盟对外开放，吸纳更多新合作伙伴。
通用汽车副董事长斯蒂芬·葛斯基（Stephen Girsky）和标致雪铁龙CEO菲利普·瓦兰在比利时布鲁塞尔召开媒体发布会，其间葛斯基和瓦兰表示联盟可能会引入更多合作伙伴，并有望覆盖欧洲以外地区。
葛斯基称：“这些合作项目基本构想是在我们和标致雪铁龙之间，但我们各自拥有其他合作伙伴，因此将合作延伸到其他伙伴或许会使我们在某些层面受惠。”不过他也表示开放联盟只是一种思路，而“并非当前的根本规划。”
目前标致雪铁龙的合作伙伴包括丰田汽车、三菱汽车、菲亚特、福特汽车、宝马和雷诺；通用汽车的合作伙伴包括中国上汽和五菱，另外通用与宝马在燃料电池和发动机方面存在合作意向，并考虑同福特开发九速和十速变速器。
编辑观点|通用标致雪铁龙联盟已经将眼光放眼于世界，积极寻求合作伙伴，共享资源，而反观国内联盟的迟缓动作，一直裹足不前的进展速度，实在让人惋惜。
燃料电池发电 篇7
目前,随着人们环保意识的日益增强,汽车对环境的污染遭到了质疑,于是业内外关注的焦点都集中在了电动汽车、混合动力车上。从市场来说,还需要解决配套能源供应网络(充电站)、性能满足消费者的需要、价格有竞争力等问题。如果大量建设燃煤、燃油发电站来提供电力,会造成新的污染,而太阳能、风能、核能还在发展阶段,不够成熟。分布式发电系统是由成百上千个独立的、使用可再生能源和清洁能源作为燃料的发电系统组成。其优点是发电系统靠近用户,降低了电力传输的成本,建设周期短、效率高、费用低。其可靠性表现在如果一台发电机发生故障,不会影响整个电力系统的稳定性。
1 分布式发电
分布式发电指的是在用户现场或靠近用电现场配置较小的发电机组(一般低于30MW),以满足特定用户的需要,支持现存配电网的经济运行,或者同时满足这2个方面的要求。这些小的机组包括燃料电池、小型燃气轮机,或燃气轮机与燃料电池的混合装置。由于靠近用户,其提高了服务的可靠性和电力质量。技术的发展、公共环境政策和电力市场扩大等因素使得分布式发电成为新世纪重要的能源选择。
分布式发电和集中供电系统的配合应用有以下优点:分布式发电系统中各电站相互独立,用户由于可以自行控制,不会发生大规模停电事故,所以安全可靠性比较高;分布式发电可以弥补大电网安全稳定性的不足,在意外灾害发生时继续供电,已成为集中供电方式不可缺少的重要补充;可对区域电力的质量和性能进行实时监控,非常适合向农村、牧区、山区,发展中的中、小城市或商业区的居民供电,可大大减小环保压力;分布式发电的输配电损耗很低,甚至没有,无需建配电站,可降低或避免附加的输配电成本,同时土建和安装成本低;可以满足特殊场合的需求,如(处于热备用状态的)移动分散式发电车用于重要集会或庆典;调峰性能好,操作简单,参与运行的系统少,启停快速,便于实现全自动。
根据所使用一次能源的不同,分布式发电可分为基于化石能源的、基于可再生能源的以及混合的分布式发电技术。其中燃料电池技术在新能源汽车技术中的应用前景很突出。燃料电池是一种在等温状态下直接将化学能转变为直流电能的电化学装置。燃料电池工作时,不需要燃烧,同时不污染环境。在获得电能的过程中,副产品仅为热、水和二氧化碳等。
2 燃料电池汽车
燃料电池汽车是电动汽车的一种,其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用直接变成电能的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物,能量转换效率比内燃机要高2～3倍,因此从能源的利用和环境保护方面,燃料电池汽车是一种理想的车辆。
与传统汽车相比,燃料电池汽车具有以下优点:零排放或近似零排放;减少了机油泄露带来的水污染;降低了温室气体的排放;提高了燃油经济性;提高了发动机燃烧效率;运行平稳、无噪声。
实现上述优点的核心是燃料电池。燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置,具有以下特点:
(1)能量转化效率高。直接将燃料的化学能转化为电能,中间不经过燃烧过程,因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料-电能转换效率为4 5%～60%,而火力发电和核电的效率为30%～40%。
(2)有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低,CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低,无机械振动。
(3)燃料适用范围广。
(4)积木化强。规模及安装地点灵活,燃料电池电站占地面积小,建设周期短,电站功率可根据需要由电池堆组装,十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式发电,或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。
(5)负荷响应快,运行质量高。燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率,而且电厂离负荷可以很近,从而改善了地区频率偏移和电压波动,降低了现有变电设备和电流载波容量,减少了输变线路投资和线路损失。
将燃料电池汽车与分布式发电技术相结合是可行的,具体实施可以利用天然气构成燃料电池-发电系统。以第二代燃料电池M C F C为例说明其工作原理:由空气极的O 2(空气)和C O 2与电相结合,生成C O 32-(碳酸离子),电解质将C O 32-移到燃料极侧,与作为燃料供给的H+相结合,放出e-,同时生成H2O和CO 2。化学反应式:
燃料极H2+CO32-=H2O+2e-+CO2
空气极CO2+1/2O2+2e-=CO32-
全体H2+1/2O2=H2O
在这一反应中,e-从燃料极被放出,通过外部回路返回到空气极,由e-在外部回路中不间断的流动实现了燃料电池发电。
3 分布式发电技术与燃料电池汽车的可结合之处
汽车的大规模使用使人们的生活环境受到严重的污染,寻找新能源汽车成为主要趋势。分布式发电技术的兴起,使得新能源动力的实现有了可能性。分布式发电系统的环保、分散等特点,对于时刻流动着的汽车来说是一个能源技术的革新突破口。如果把单个的燃料电池结合成燃料电池组,就可以得到足够大的能量,甚至可以作为汽车动力,满足车辆使用的要求。因此将燃料电池组应用于汽车中作为新能源具有可行性。
4 小结
燃料电池发电 篇8
随着常规能源紧缺,石化类能源价格增长,石化类能源消耗带来巨大的环境问题等,迫使新能源走上发展利用的舞台[1]。近年来,世界各国对太阳能利用较为重视,得到了广泛的发展与应用。但是,太阳能光伏发电的间歇性问题以及较大的波动性给太阳能的利用带来障碍。有效地将蓄电池、燃料电池和光伏电池结合,消除光伏发电产生波动的影响,提高系统效率,成为研究该联合系统的关键所在。在太阳能光伏发电方面,中国已发展得较为成熟,对燃料电池方面的研究也逐步深入,但是,对光伏—燃料电池联合发电系统的研究还处在仿真模拟阶段,而国外实践的光伏—燃料电池联合发电系统已取得较好的结果。笔者通过Matlab软件对联合系统中燃料电池、蓄电池的匹配关系进行模拟仿真,旨在为选择联合系统的方式提供参考。
1 联合系统的基本构成及特点
1.1 联合系统的基本构成
光伏—燃料电池联合发电系统的元件包括光伏组件、燃料电池、电解池、H2压缩机、H2储存罐、蓄电池及其他辅助设备(见图1)。参照文献[2]、[3]、[4]对联合系统各部分建立的数学模型,用Matlab软件进行仿真模拟实验。
1.2 联合系统的基本特点
由于太阳能的随机性和间歇性,独立式光伏发电系统为实现连续稳定的电力供应,需采用必要的能源存储设备。蓄电池作为1种传统高效的能源存储方式,已经普遍用于实际工程,由于使用寿命较短、价格昂贵、自放电[5]等缺陷,导致蓄电池并不适于长期存储大量的能源。以H2作为燃料的燃料电池在一定程度上解决了使用寿命、成本和自放电等问题,但是,燃料电池效率较低、占用空间较大[6,7]。
蓄电池—燃料电池联合光伏发电系统是这2种独立系统的综合,兼有2种独立系统的优点,在保证一定效率的前提下,试图提高独立系统的稳定性、降低成本。联合系统中蓄电池和燃料电池的搭配使用,可为用户提供全年稳定的电力输出,通过适当的配比,可使系统效率和成本趋于最佳。
2 实验方案
笔者研究的主要是不同配比下通过蓄电池和燃料电池两路的情况,对系统的各部分建立数学模型,包括光伏阵列、蓄电池、燃料电池、电解池等的数学模型,进行模拟仿真[8,9]。该实验以1 000 W的光伏发电量为例,采用不同配比,进行模拟。所选取的配比方案共5种:a)1 000 W的光伏,完全通过蓄电池时,模拟蓄电池的输出功率;b)1 000 W的光伏,按照20%、80%分配电量分别通过蓄电池、燃料电池时,模拟2种电池的输出功率情况;c)1 000 W的光伏,按照50%、50%分配电量通过蓄电池、燃料电池时,模拟2种电池的输出功率情况;d)1 000 W的光伏,按照80%、20%分配电量通过蓄电池、燃料电池时,模拟2种电池的输出功率情况;e)1 000 W的光伏,完全通过燃料电池时,模拟燃料电池的输出功率情况。
按图1提供的系统,根据投资成本最小原则[10]选择设备容量,P1为蓄电池存储系统,P2为储H2罐系统,对5种实验方案需要的配置情况见表1。
单位为瓦
3 模拟结果
假定蓄电池、燃料电池在相同的外界温度、压力条件下,燃料电池以相同的电流,每块单电池的特性相同,包括单电池的活化面积50.6 cm2,膜厚度0.017 8 cm,不同的是单电池的串联个数;电解槽也类似,不同的是电解槽中单电池的面积为50 cm2/块,膜厚度为0.005 1 cm。在以下各种情况下,对输出功率模拟进行模拟。
蓄电池充电时的输出功率见图2,蓄电池放电时的输出功率见图3,电解池输出功率见图4,燃料电池输出功率见图5。
从图2至图5蓄电池充、放电输出功率的模拟,以及电解池、燃料电池输出功率的模拟,可比较出在各种不同功率分配情况下的输出功率,即1 000 W/0 W,800 W/200W,500 W/500 W,200 W/800 W,0 W/1 000 W时,输出功率见表2。
按每天使用8 h计算,以1 000 W蓄电池为例,20年的输出电量为:
Q=850.8×10-3×8×365=2 484.3 kW·h,其中,每年输出的电量见表3。
由表3可以看出,蓄电池的转化效率比燃料电池高。因此,蓄电池、燃料电池联合系统中,蓄电池容量越大,其输出功率必定越大,成本也随之增加。但是,蓄电池容量较大,实际工作寿命短,一般就3年至4年,最多5年。蓄电池自身特点决定其不适于长期存储电能。燃料电池的使用,可使系统更好地满足负载冬季需求,降低系统成本。综合考虑,方案4有较高的性价比,优于其他几种方案。从各系统的全年运行来看,两者配比的选择对系统储能效率、初投资及长期稳定的输出电能有着重要影响。
单位为瓦/时
功率单位为瓦,电量单位为千瓦时
4 结语
联合系统中,燃料电池可以降低成本、弥补蓄电池不适于长期储能的缺陷,蓄电池的使用可保证整个系统拥有较高的效率。高效的蓄电池用来满足负载短期需求,寿命长、价格低的H2罐用来长期存储大量能源,在光照不足的冬季使用。这可提高太阳能的利用率,抵御光照的季节性变化。在春季、夏季和秋季,光伏发电系统可直接满足负载白天的需求,光照不足或无光照时段(阴雨天、夜间)的负载需求由蓄电池提供。另外,氢能系统必须存储足够的能源用以冬季光照不足时的负载需求。在实际中可参照该实验的结果和用户各季节的实际负载,适当选择二者配比关系,以达到高效、稳定的电力供给。
摘要：叙述了为保证光伏发电系统长期、连续、稳定的电力供应构建的光伏—燃料电池联合发电系统及通过建立数学模型,利用Matlab模拟软件,进行不同配比电量输出和成本的仿真模拟结果,指出,通过调整系统的配比,可使蓄电池和H2罐的电量输出和成本达到最佳,提出,利用高效蓄电池只能满足短期的负载需求,用长寿命、低价格的H2罐,长时间存储电解的H2,在冬季光照不足时可用燃料电池满足负载需求。联合系统使二者互补,为用户提供长期、高效、连续、稳定的电力供给。
关键词：光伏—燃料电池联合发电,蓄电池,燃料电池,仿真模拟
参考文献
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[3]王立娜,周克亮,卢闻州,等.组合蓄能离网型自治光伏发电系统优化运行与配置设计[J].电网技术,2009,17(33):146-151.
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[5]杨金焕,于华丛,葛亮.太阳能光伏发电应用技术[M].北京:电子工业出版社,2009.
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[9]王华,李有军,刘建存.MATLAB电子仿真与应用教程[M].北京:国防工业出版社,2007.
燃料电池发电 篇9
一、DBFC的基本结构
DBFC的基本结构如图1所示, 主要由阳极、阳极集流板 (带有硼氢化物溶液腔室或流道) 、硼氢化物溶液、隔膜、阴极、阴极集流板 (带有气体通道) 组成。所用燃料为碱性LiBH4、NaBH4或KBH4溶液等, 以NaBH4应用最广。氧化剂常为空气 (氧气) 或过氧化氢。
1.阳极集流板;2.阴极集流板;3.燃料;4.阳极;5.离子交换膜;6.阴极
二、DBFC的工作原理
1. 直接硼氢化物——空气燃料电池
直接硼氢化物——空气燃料电池的基本工作原理为:
阳极 (电池负极) 反应:BH4-+8OH-→BO4-+6H2O+8e-
阴极 (电池正极) 反应:2O2+4H2O+8e-→8OH-
当电池隔膜为阴离子交换膜, 阴极生成的O H-穿过隔膜到达阳极, 参与阳极反应, 如图2所示。Liu等人发现, 阳膜可比阴膜更有效地防止BH4-穿透, 并且阳膜在碱性环境中稳定性更高。
电池反应为B H4-+2O2→B O2-+2H2O, 电动势Eo电池=1.64V, 可以输出电能。
2. 直接硼氢化物——过氧化氢燃料电池
在这种电池中, 氧化剂H2O2在阴极的电还原只转移两个电子, 比氧气的还原容易得多。以H2O2为氧化剂可构成全液态燃料电池, 能产生较高的理论电压, 可广泛应用于水下和宇宙等无氧环境中。
电池的阳极反应同前一电池, 阴极发生H2O2的还原反应。当阴极液为碱性时, 阴极反应为4H2O2+8e-→8OH-, Eo阴极=0.87V, 电池理论电压为2.11V。酸性条件的阴极反应为4H2O2+8H++8e-→8H2O, Eo阴极=1.77V, 电池理论电压可达3.01V, 能产生更高的电压, 并且双氧水在酸性溶液中稳定性较高, 因此目前研究较多。
三、DBFC性能的主要影响因素
1. 阳极催化剂
目前, 通过改善电极性能提高电池效能的工作主要集中在阳极上。BH4-的阳极氧化是多步过程, 在不同电极材料和不同电势范围的反应机理不同。一般认为, B H4-在低电化学极化下主要发生4电子反应, 而在较高电化学极化下可能发生8电子反应, 效率更高。这一点贵金属具有很大优势, 但成本高, 因此非贵金属催化剂研究具有实际意义。Kim等人指出, 当应用于便携设备时, DBFC的优势之一是采用非贵金属作阳极就可能建立一个高效系统。
抑制BH4-的阳极水解, 促进其8电子氧化反应, 是一个核心问题, 至今未得到很好解决。例如, 有人研究了Au及其合金、Ni粉、AB2和AB5型储氢合金、贵金属Pt和Pd作阳极电催化剂, 发现金负载量为10%的Au/科琴炭黑催化剂对BH4-阳极氧化催化活性最佳;镍催化剂虽然价格低廉, 但BH4-在其上的电催化反应为4电子反应, 实际应用前景不大;AB5型MmNi3.55Al0.4Co0.75的催化活性较好;贵金属Pt和Pd对硼氢化钠的水解和其电氧化反应都有促进作用。
催化剂的状态也有影响。例如, 用机械球磨法制备出纳米粒子集聚成的微米银镍合金颗粒, 具有二元合金的典型结构特征, 既保持了镍对BH4-电氧化的催化活性, 又体现出银对BH4-化学水解的惰性。在其催化下, KBH4的放电容量在3500mAh·g-1以上, 对硼氢化物燃料的利用率可达90%以上。
有研究表明, 增大阳极催化剂的用量可以提高能量密度。例如, 当使用Pd/C催化剂0.3mg·cm-2时, 最大能量密度为12.7mW·cm-2;而使用量为1.08mg·cm-2时, 最大能量密度达到19.4mW·cm-2。
2. 温度
D B F C的反应性能受温度的影响。例如, 当温度从25℃上升到60℃时, 电池能量密度的峰值增至原来的127%。
3. 电解液浓度
C e l i k等人发现, 随着生成的金属碱溶液浓度升高, 硼氢化钠燃料电池能量密度先升高, 再慢慢降低。他们认为, 当金属碱溶液的浓度过高时, N a+离子受到周围离子的束缚, 反而活度降低。他们发现, 当NaOH的浓度为20%时, 电池的性能最佳。
4. 氧化剂的浓度
氧化剂的浓度也影响电池性能。例如, 用空气作为氧化剂时, 得到最大能量密度仅为7.3mW·cm-2, 而用纯氧作为氧化剂时, 得到最大能量密度11.7mW·cm-2, 作者认为这是由于更多氧得到了转化。
四、DBFC存在的主要问题
1. 实际不能实现理论8电子转移
前已述及, BH4-的电氧化通常不是按理论上的8电子进行, 而是可能发生以下几种反应, 其相对比例因催化剂而异, 反应机理目前尚不十分清楚。其中, 水解反应只产生氢气而不产电, 要竭力避免。
6电子反应:BH4-+6OH-→BO2-+4H2O+H2+6e-
4电子反应:BH4-+4OH-→BO2-+2H2O+2H2+4e-
阳极水解反应:BH4-+2H2O-→BO2-+4H2
2. 成本较高
工业上主要采用以矿物为原料的硼酸三甲酯法和硼砂法生产硼氢化钠, 反应式如下:
硼酸三甲酯法:
两种方法生产的硼氢化钠价格都较高。采用非贵金属催化剂可降低成本, 回收利用阳极产物偏硼酸钠 (即从偏硼酸钠制备硼氢化钠) 也是降低成本的重要方法, 比较理想的是构成从DBFC发电到偏硼酸钠制备硼氢化钠的循环系统。例如, 室温下通过机械球磨–化学反应法可实现NaBO2的回收, 反应式如下。当MgH2用量达化学计量值的1.25倍时, NaBO2的回收率接近100%。
摘要：本文为学生阅读材料, 介绍直接硼氢化物燃料电池, 帮助一线教师实施新课标高中化学教学。
关键词：新课标,高中化学,硼氢化物燃料电池
参考文献
[1]赵鹏程.直接硼氢燃料电池[J].电源技术, 2008, 4 (32) :266～270
[2]杨遇春.电动汽车和相关电源材料的现状与前景[J].中国工程科学, 2003, 12 (5) :1～11
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[5]杨子芹.直接硼氢化物燃料电池阳极电催化剂研究进展[J].工业催化, 2007, 12, 15～17
未来生物燃料电池或使用混合燃料 篇10
科学家在美国化学学会的年会上展示了一款新的生物燃料电池模型。新电池不使用酶而使用细胞中的线粒体来分解燃料分子———纤维素。线粒体是真核细胞的重要细胞器, 有细胞“动力工厂”之称。
该研究项目领导人、美国圣路易斯大学的雪莉·敏蒂尔表示, 尽管这项技术距离实际应用还有很长的路要走, 但是, 该研究是将活性细胞的一部分 (此处为线粒体) 整合进电池的一个里程碑式的进步。未来, 这种设备在很多领域可以替代一次性电池。
一般来说, 燃料电池都需要对生物燃料分子进行分解和重建, 这个过程会释放出电子, 电子聚集在一起形成电流。
此前, 敏蒂尔团队一直使用酶, 酶在分解特殊的燃料分子诸如乙醇或者葡萄糖方面是一把好手。但现在他们改用活性细胞的组成部分线粒体, 线粒体可以将各种酶的力量和功能结合在一起, 将很多燃料分子变为电池能够直接使用的形式。
敏蒂尔解释道, 为了能够完全利用一种燃料, 人们需要很多酶, 有些简单的燃料需要3种酶, 而诸如葡萄糖等, 则需要多达22种酶, 并且, 这些酶需要能够很好地配合在一起协调工作。而线粒体的分解效率更高, 线粒体能够分解多种燃料, 意味着它能够通过分解燃料混合物来工作。
新展示的电池只使用了由一种分子组成的简单燃料, 未来的研究将着眼于使这种电池能够利用人们更为熟悉的复杂生物燃料来工作。
燃料电池汽车生存空间知多少 篇11
在普通电动车逐渐深入人心的时候，燃料电池汽车也开始了上路的征程。作为21世纪最有前途的新能源环保型汽车，燃料电池汽车以其高效、无噪音、零污染等高科技优势，正逐渐成为世界汽车厂商竟相研究开发的热点。目前世界各大强国都制定了自己在燃料电池汽车领域的发展战略，各大汽车企业也纷纷投入巨资对燃料电池进行研究开发。作为一项重要的战略选择，任何国家一旦在燃料电池技术上取得突破并形成产业技术，都会对世界能源和交通发展格局产生重大影响。燃料电池汽车革命也许在不久的将来就会到来，届时将迎来汽车产业更新换代、重新洗牌的时代。
燃料电池汽车再次回归
回顾2015年上半年在新能源汽车领域的新闻，最突出的不是众多企业推出的各式各样的电动汽车，也不是上汽集团与阿里巴巴合作推出的互联网汽车，而是丰田公司推出的Mirai，因为丰田让燃料电池汽车再次回到了人们的视野中。
许多人还记得两年前，丰田宣布将要在2015年上市一款造价控制在5万美元左右的燃料电池汽车，而在当时，一款普通的燃料电池汽车的成本就在100万美元左右，丰田在众多人的质疑声中开始了研发过程。很多人没想到，两年后，丰田居然兑现了诺言。丰田发布Mirai的影响有多强烈，看一下众多汽车界大佬的反应就知道了。
日本汽车巨头本田不甘示弱，马上表示将在2020年前大规模量产燃料电池车。本田内部人士表示，本田的燃料电池车从概念阶段转化为量产的工作进行的非常顺利，之前亮相的FCV概念车在技术上已经接近量产。据了解，FCV概念车采用了70兆帕压力的氢燃料罐，这使得其燃料电池堆的体积比之前FCX Clarity车型所装配的小了33%，但容量却提升了60%。宝马公司也在之后几个月发布公告称计划在2020年前推出一款量产燃料电池汽车，或隶属于旗下“i”新能源车系列。据悉，宝马现阶段正在与盟友丰田展开技术合作，涉及燃料电池领域。
与此同时，汽车巨头包括奔驰、现代、通用和福特都表示将于近期推出自己的燃料电池汽车，也有分析人士认为，作为接替纯电动汽车的下一代汽车产品，燃料电池汽车几乎是这些汽车厂商的唯一选择。
目前，燃料电池技术已取得很多进步，成本方面降低了很多。根据美国能源部研究：目前燃料电池成本比2008年降幅超过30%，比2002年降低80%（据大规模制造预测，从2002年的275美元/kW降到49美元/kW）。成本降低反映出包括膜电级、白金使用量减少等一些关键技术的进步。美国能源部要求到2017年燃料电池成本控制到与目前汽油机相当的水平，即30美元/kW。
与此同时，5月8日发布的《中国制造2025》与2012年6月28日发布的《节能与新能源汽车产业发展规划》（2012～2020年）都具体列出了中国新能源汽车的发展方向。
而《节能与新能源汽车产业发展规划》（2012～2020年）的表述是：本规划所指新能源汽车主要包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车及燃料电池汽车。《中国制造2025》的表述是：继续支持电动汽车、燃料电池汽车发展。对于燃料电池汽车领域，《2025》要求，到2020年，燃料电池车将不再局限于是概念车，到2020年，生产1000辆燃料电池汽车并进行示范运行；到2025年，制氢、加氢等配套基础设施基本完善，燃料电池汽车实现区域小规模运行。
之所以各个国家都非常重视燃料电池汽车的发展，是因为和充电式电动车比起来，氢燃料电池汽车的战略地位非常重要，特别是对于中国这样的非石油出口国来说。
因为在世界的能源格局中，燃料电池具有明显优势。氢是世界上最多的元素，氢气来源极其广泛并且是可再生资源，由于燃料电池是化学能直接转换为电能，相比内燃机的燃烧作用不会产生大量废气与废热，转化效率更可超过50%（内燃机转化效率为10%），排放物也只有水，也不会对环境温度造成影响。使用寿命长于电化学电池并且电池维护工作量很小。相比于纯电动车的充电时间来说，一个优势在于补充能源速度较快——直接在氢燃料补充站添加燃料即可。燃料电池加注氢气的时间很短，几乎与内燃机汽车添加燃油时间相当，大约在3-5分钟左右。比如刚刚上市的Mirai这款燃料电池车加满一箱氢气只需3分钟，加满燃料后可连续行驶650公里以上，续航能力丝毫不亚于传统的石化燃料车辆，所需的燃料费用与汽油成本相当。
燃料电池汽车VS纯电动汽车
近些年来中国电动汽车的频繁亮相，人们早就习以为常。加上政府的大力支持和充电站的建设日趋成熟、电动汽车在市场上已经成为重要的汽车换代产品。
相比之下，同样作为新能源的燃料电池汽车却是几度沉浮，虽然各方面性能都让它有望成为内燃机汽车的替代者，但曾经燃料电池组件高昂的售价和人们对其可靠性的质疑，使其仍旧离我们很远。对于中国来说，发展燃料电池汽车需要解决的问题还很多，有些问题如氢气的安全储存、贵金属的代替，质子交换膜稳定性、燃料电池的低温性能、环境敏感度、启动速度和能源耗费都是摆在中国厂商面前的难题。
如果以产业链组合的角度来理解燃料电池汽车，就会发现汽车厂商只是其中的一环，燃料电池汽车行业本真涉及的关联行业太多，其发展对整个国民经济都有影响。比如对于中国来说，要发展氢燃料电池汽车，就必须重建一套产业链，要付出极大的科研投入来更新整个产业链上的技术，而且这套产业链的建立本身就很昂贵，性价比不高。所以我们看到目前美国、德国甚至中国都会从自己本国的优势出发，首先发展的是电动汽车，没有给氢燃料电池路线过多的补贴，跟进的企业也没有太多。
但在今天看来，电动汽车的优势随时都可以转化为劣势。即使业界从没有否定纯电动汽车的说法，尤其认为纯电动汽车在近距离通勤方面占有优势，比如作为近距离通勤车，EV可以在晚上睡觉的时候充电，供第二天使用；另外电是直接通入家中的，这样即使建立充电桩，但是其在社会基础设施方面已经没有问题。不过，EV在续航里程方面的限制也造成了著名的“历程焦虑”问题，这也成为很多人在电动汽车面前犹豫不决的原因。
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比如中国推出的多款电动汽车，江淮的IEV5只有180公里作用，北汽的EV200也只有200公里左右，其他的比亚迪秦在300公里左右，但是电池的容量到这里已经成为一个峰顶，目前业界还无法说能够解决EV续航的问题。由此这也至今导致电动汽车的易用性大打折扣。
自由出行、想到哪儿就能到哪儿是汽车的根本价值。也就是说，能够自己决定目的地、路线、日程非常重要。需要花很长时间补充燃料会限制汽车的使用概率。从汽车的属性来看，汽车已经不仅是“代步的工具”，而是成为延伸人的社会属性的“必要产品”，对于扩大人的社交范围和提高人的工作效率非常重要。但是对于EV来说，即使提高电池的能量密度，增加容量，充电也需要很长时间；即使快速充电设备30分钟左右可以充满，但是如果前面有1辆汽车在等候充电，轮到自己充好就需要1个小时。而MIRAI充满氢气只需要大约3分钟，与汽油车相当。这样的效率，能不让人心动吗？
此外，对于燃料电池汽车的一系列关键问题，也并非无法解决。比如目前供氢基础设施还不完善，在易用性上存在限制，但这不是本质问题，只要花时间就能解决。虽然燃料电池内的电解质薄膜制作工艺复杂，产量很难提高，催化剂铂金属的价格很高。但丰田降低了铂金属的使用量，并且将电解质薄膜做的更薄用来提升燃料电池的性能。这都表明上述问题可以通过技术的进步得以解决。
燃料电池，超越电站和叉车到汽车
燃料电池是当下新能源应用中最令人激动和遐想的领域。在今天的社会，化石燃料给社会的挑战正在已趋严重。当一个社会无法再继续依赖化石燃料的时候，能源的储存和运输性将依靠什么？很多科学家认为是氢气。所以为了实现社会可持续发展，发达国家首先完成了燃料电池在固定式电站和叉车等领域的商业应用。
比如美国燃料电池的产业化就主要应用在大型商用固定式电站和叉车等领域。著名燃料电池应用企业PlugPower的GenDrive燃料电池叉车系统得到了奔驰、宝洁、沃尔玛等企业的较大规模订单；BloomEnergy的SOFC固定式燃料电池发电站不仅被Apple选用为位于北卡的iCloud服务器提供电源，还得到了Google、Microsoft、Adobe、eBay等IT巨擘以及可口可乐、FedEx等传统产业龙头的青睐；FuelCellEnergy还在北美和亚洲各建立了100MW燃料电池产能发电站，为浦项制铁等工业企业提供电力供应。
加拿大Ballard公司作为全球领先的燃料电池的设计和制造商，Ballard为电信、交通、分布式发电、叉车和公交车等下游提供燃料电池系统以及整体解决方案。该公司在美国上市后，成为NASDAQ上市公司中首个实现经营性盈利的燃料电池企业。同时近年来，加拿大在燃料电池公交等市场的商业化推广节奏也实现了与美国接近同步。日前加拿大Ballard能源系统公司与北京碧空氢能源科技股份有限公司签订了意向性协议，将为中国客车开发燃料电池。目前Ballard已经开始为加拿大、巴西、印度、中国和更多国家的客车生产燃料电池。
在燃料电池完成在电站和叉车等领域的布局之后，很多公司都认为燃料电池最大的市场其实是在汽车中。100多年以来，推动汽车不断进步的一直是以汽油为燃料的内燃机。内燃机汽车的飞速发展也成就了规模宏大的石油行业。但在未来，汽车必须降低对于汽油等化石燃料的依赖，化石燃料的储量终归是有限的，包括中国在内的许多国家已经承诺要对气候变暖的问题作出实质性的贡献。目前在发达国家，消耗的能源中，汽车占1/5～1/4左右。为了能够让能源多样化，目前热门候选是电和氢。特别是以氢为燃料的燃料电池汽车在行驶时不排放氮氧化物和二氧化碳，这一点极具魅力。
正因为如此，众多的汽车公司站在未来的角度开始布局燃料电池汽车。一方面，汽车拥有远胜于叉车和家用乃至商用储能的市场容量；车用燃料电池也是燃料电池商业化领域中综合要求最高的一类。而选择了燃料电池汽车，则是从技术路线的选择与战略地位的角度奠定一个公司未来数十年的汽车领域竞争格局。
以这样的观点来看，大众、现代、通用、丰田、上汽等多家国内外车企加大对燃料电池的研发力度是非常正确的。从技术进步的角度来看，这些公司也没有将投入放在一个篮子里，而是在混合动力、电动汽车、燃料电池等领域都有分布。技术的进步是不可想象的，一旦这些国家的燃料电池技术取得突破，那么将对类似中国这样以电动汽车为主要新能源汽车发展方向的国家产生致命的威胁。到时候，中国的电动汽车产业要么被孤立，要么则要为中国在5年前一哄而上做电动汽车的决定付出代价。能源的技术是21世纪飞速发展的技术，今天来看丰田用三年左右时间将一台100万美元成本的燃料电池汽车降低到5万美元，就能看出技术的发展有多么快。如今，动力电池领域还有最新的锌-空气电池，超级电容器、红磷-石墨烯电池和锌碘流体电池，任何一项技术，都有在未来成功商业化的可能。
美国市场研究机构派克公司认为，2020 年之后燃料电池汽车有望达到锂电池汽车目前的水平。在 2015-2020年阶段行业的变化趋势逐渐趋于明显，随着基础设施的完善和个人需求的增长，燃料电池将在这一阶段加速发展。
燃料电池发电 篇12
从氢和空气中含有的氧产生电能和纯水的燃料电池,对其作为清洁和高效发动机的作用,近来引起人们的关注。日本铁道综合技术研究所(RTRI)开发出一种新型燃料电池作动力的铁道车辆,以便将来替代在非电气化区段运营的传统燃油车辆和电动车辆。已经对动力至少足以驱动单个车辆,安装在试验车辆进行运营试验的100 kW燃料电池系统(称之为FC系统)做过介绍。结果确认可达到42 km/h的最高速度,FC系统在波动荷载下能持续发电[1]。然而,在实际运用中却发现一些限定,如输出功率不足,无法达到传统车辆的加速能力,再生能量也无法应用。
在这次研究中,开发一种锂离子电池系统(称之为锂电池),电池用DC/DC变流器(电池变流器)和燃料电池/电池混合系统检测器(混合检测器),将它们与FC系统一起安装在R291系试验车辆上以建立一种混合系统。为提高加速能力、利用再生能量、提供辅助电力,制作了一列由2辆装有这种混合系统的车辆组成的车组。下面介绍这些开发和在不同运行情况下的能量效率和燃料耗量进行评定的结果。
2 燃料电池/电池混合系统的开发2.1
2.1装有这种燃料电池/电池混合系统试验车辆的技术条件
混合前,只用FC系统产生牵引动力,仅用单辆试验车辆组成的车组进行了运行试验。然而,在这次研究中,准备了一种燃料电池/电池混合系统,并用一列由2辆试验车辆组成的车组进行运行试验。图1示出所用的燃料电池/电池混合试验车辆,表1列出它们的主要技术参数,表2示出混合改变和改进的地方。与计划在不久的将来要替代的2辆传统燃油车辆(Kiha-40系,220 hp/车)的输出相比,这些试验车辆的输出得到改善。
2.2 燃料电池/电池混合系统的结构
这里示出各类燃料电池/电池混合结构。图2列出其主要类型。由于A类结构的燃料电池和电池都需要输出功率控制功能,所以,目前不选用这类结构。至于B类和C类结构,牵引逆变器的输入电压随燃料电池和电池的情况而波动,这会影响加速度能力。D类结构在图2所示所有结构中需要的设备最多,而它具有传统牵引系统适应的优点。而E类结构混合控制方法极为简单,但有一些缺点:功率再生只及感应电机的一半,电池不能从燃料电池充电。因此,为从使用普通牵引系统的传统电动车辆开发装有燃料电池/电池混合系统的车辆,就需要D类结构。表3对这些结构做了比较。由于RTRI的感应主电机和静态逆变器(SIV)是为传统牵引系统制作的,所以,有必要选用D类结构。图3示出RTRI的燃料电池/电池混合系统的结构。
2.3 为混合系统开发的锂电池
作为混合系统的电池类型,选用性能更高、可靠性得到改善、目前价格较低的锂离子电池。表4示出锂电池的主要技术参数。所选用的电池模件与Hi-电车(RTRI开发的接触网/电池混合轻轨车辆)所用尺寸和能量相同(图4)。然而,设计了模件的充放电电流密度,以便进行十倍率充放电。采用 1 组 168 节串联连接、2组并联连接的锂离子电池。为抑制这些电池在夏季的温升,设计了安装在轨道上带温度计控制冷却风机的冷却系统。此外,为获得如电池最大电压、最小电压、平均电压、电流、SOC(充电状态)、故障信号和电池温度等电池信息,在各个模件设一个电池观测装置。选择30 Ah电池容量,允许以360 kW功率进行充放电。
2.4 电池变流器的开发
为将锂电池用于混合系统,开发出可将锂电池的电压从600 V转化为1 500 V,且反过来也是一样相互作用的电池变流器。图5为电池变流器,表5列出主要技术参数。对为稳定接触网电压而设计的现场类DC/DC变流器进行了改进,开发出电池变流器安装在车辆地板上。为实际应用,有可能通过特别的设计而制作出尺寸较小的装置。将信号集中于电池变流器以便混合控制,但在将来可将混合控制装置从电池变流器中分开。
2.5 混合设备在试验车辆上的布置
图6示出包括上述FC系统、高压氢气罐系统和其他元件的混合设备在试验车辆上的布置。由于这里的重点是确认混合功能,所以,没有考虑减小尺寸、减轻质量和设备的优化布置。混合系统的所有设备(除高压氢气罐外)都安装在试验车辆的地板上。
2.6 混合监视器的开发
开发出混合监视器用来检测电流量/作业状态并记录测试参数。图7示出试样显示屏。混合监视器与电池管理装置采用RS-485方式进行通信,锂电池寿命的测量和计算采用SOC信号输出的功能。
3 燃料电池/电池混合系统的控制方法
3.1 燃料电池/电池混合控制方法
电池变流器接收牵引逆变器(INV)、锂电池、FC系统和FC变流器的信号,来控制燃料电池变流器(FC变流器)的功率输出和锂电池的充放电。锂电池控制方法使连接到FC变流器、电池变流器、INV和SIV的母线保持稳定电压。如果母线电压超过1 500 V,电池变流器给锂电池充电;如果低于1 500 V,电池变流器使锂电池放电。
对FC变流器的控制方法,预先设定SOC(CEO)的充电指标和SOC(CSO)的放电指标,而后,电池变流器控制FC变流器的输出,以将锂电池的SOC信号保持在CEO值和CSO值之间。车辆速度高于5 km/h 时,视为运行,为接收到随速度而生的再生能量,电池变流器则降低CEO值和CSO值。因此,运行中的SOC值低于静止时(车辆速度低于5 km/h)的值。当车辆在高SOC情况下进行运行试验时,锂电池可提供加速功率。
为接收再生制动的最大功率,将CEO值设定在70%。为避免SOC信号振动产生共振,将CSO值设定在60%(即比CEO值低10%)。确定在30%锂电池情况下,可以在最高速度达到45 km/h时进行运行试验。这些电池变流器的参数也可以改变。
3.2 混合控制用INV的改进
对紧急情况下的混合控制,要求INV具有若干功能(如降低功率)。在这种情况下的混合控制,可对INV增加下列功能:
(1) 如果接收到“电池过充电”信号,INV停止再生制动;
(2) 如果接收到“电池过放电”信号,INV作业降低2个刻度,只用FC系统供电;
(3) 如果INV的输入电压降低,INV降低输出功率,以便保持输入电压接近DC1 500 V。
3.3 从运行试验结果对混合控制的确定
图8示出使用上述混合控制装置进行运行试验的结果。首先,对静止车辆,控制FC变流器以增加60%以上的SOC。第二,车辆开始运行时,根据速度和SOC,控制FC变流器来降低输出功率,以接收再生能量。第三,根据车辆的惯性速度,与实际SOC和目标SOC间的差别相一致控制FC变流器。第四,车辆制动和再生时,控制FC变流器以尽可能小地降低输出功率,用再生能量给锂电池充电。最后,按上述说明,控制FC变流器来增加输出功率,以保持初始控制状况下(高于60%)的SOC值。
4 燃料电池/电池混合系统燃料耗量和效率的评定
依据用如上所述的燃料电池/电池混合试验车辆在试验线路进行运行试验的结果,评定了混合系统的燃料耗量和效率。由于试验线路的长度只有615 m,所以,营业线路的惰行长度并不可靠。因此,用往返作业进行运行试验。此外,由于铁路道口要用1 min以上的时间关闭,所以,运行试验要用很长的时间,这会造成辅助能量的增加。由于这些原因,平均速度(包括停车时间)和燃料耗量往往会低于在营业线路上的。使用上述混合结构和控制方法时,似乎评定燃料耗量和效率的结果随如何进行运行试验和辅助能量而变化较大。对等待SOC恢复情况的结果与无SOC恢复情况的结果进行了对比,还对开启空调作为辅助功率与关闭空调的结果进行了比较。
4.1 对关闭空调时的燃料耗量和各种效率的评定
图9示出用SOC恢复并关闭空调(工况1)进行连续运行试验的结果。在SOC恢复情况下,运行试验可持续的时间可与燃料达到的时间一样长。这里,除第一结果外,依据将SOC保持在60%、进行30次连续运行试验的结果,对燃料耗量和各种效率进行了评定。图10示出无SOC恢复和关闭空调(工况2)试验的结果。在无SOC恢复情况下,SOC值随运行试验的进程而逐渐下降,所以,当SOC值降到30%以下时终止试验。在这种情况下,SOC值从60%降到30%可进行22次运行试验。
在评定中,使用下列公式对燃料耗量和各种效率进行了定义:
燃料耗量undefined
燃料电池效率(净)undefined
再生效率undefined
车辆能量效率undefined
式中:A——加速能量;B——辅助能量;C——电池放电能量,氢能量耗量由低热值(LHV:237 kJ/mol)转换。对工况1和工况2, 表6示出对燃料耗量的评定,表7示出对各种能量的评定,表8示出对各种效率的评定。
注:*氢能量由LHV转换,能量单位(kW·h)。
4.2 开启空调时对燃料耗量和各种效率进行的评定
图11示出无SOC恢复而空调开启(只在1辆车)(工况3)进行连续运行试验的结果。在这种情况下,SOC值从60%下降到30%可进行16次试验。对工况3,表9示出对燃料耗量的评定,表10示出对各种能量的评定,表11示出对各种效率的评定。由于辅助能量最少,所以,工况2的燃料耗量和车辆能量效率高于其他工况的。在每种工况下,FC系统效率只有约50%。在只有空调开、关状态这一差别的工况2和工况3,可以看到燃料耗量只相差1.07(km/kg-H2),而车辆能量效率只相差7.4%。在工况2,SOC从30%恢复到60%要用12 min。而在工况3,则要用15 min。在工况1的每次运行试验,SOC恢复到60%则要用约3 min。RTRI试验车辆的高压氢气罐系统装有约17 kg的氢,所以,车辆可以在不充氢的工况1～工况3的燃料耗量运行55 km～74 km(2辆车)。
注:* 氢能量由LHV转换,能量单位(kW·h)。
5 结论
对安装燃料电池/电池混合系统的2辆车进行运行试验,对各种运行情况的SOC 60%恢复情况和无SOC恢复情况间的燃料耗量和各种效率进行评定。结果确定,后一种情况的燃料耗量和各种效率分别比前种情况好0.8 km/kg-H2和10%。此外,检查空调开、关状态间的差别,确定开启状态比关闭状态的燃料耗量优1 km/kg-H2,车辆能量效率优7%。在运营线,这些值似乎得到提高。正如所预计的,简单确定了车辆能量效率约65%的高性能。在将来的工作中,计划为燃料电池/电池混合系统开发尺寸小的装置,为实际使用确定燃料电池的寿命确定跨度。
参考文献