燃料电池发电系统应用分析
摘要
随着世界能源需求的不断增加，清洁的分布式电源变得越来越重要。燃料电池作为一种环保的、界面友好的可再生能源和理想的分布式电源，可以广泛地应用十各行各业，并目_是一种非常理想的分布式电源。与传统能源相比，燃料电池发电技术具有政治、经济和环境方面的优势。燃料电池系统清洁、安静、高效、热电联供的特性，使它们适合十偏远地区和电力基础设施薄弱的发展中国家。燃料电池技术经过近半个世纪的研究和开发，加以发达国家政府的政策扶持，燃电池技术有了长足的发展，某些类型的燃料电池已经步入商业化应用和军事应用阶段。_燃料电池作为分布式电源应用和部队通信装备电源应用是非常理想的，这为燃料电池发电系统在我国和军队的发展展现了广阔的前景。
本文通过对燃料电池基本知识的介绍，阐述了燃料电池的工作原理、种类和特性。对燃料电池的发展历史、国内外燃料电池商业化研发和应用现状和发展趋势进行了比较清晰的阐述，并对我国军队的通信电源供电的现状及质子交换膜燃料1电池技术在通信电源领域的应用优势和前景进行了比较全面的分析，提出了发展野战质子交换膜燃料电池需要解决的关键技术。
在文中，提出了一个燃料电池单体的动态电气化学模型，用十表现、模拟和评估小型燃料电池发电系统特别是质子交换膜燃料电池堆的各项性能，模拟仿真的结果展现了燃料电池的输出电压、效率和功率与负载电流的关系和良好的负载动态响应能力，提出了实际应用中的峰值功率等问题。根据燃料电池发电系统、部队用户负载和既设供电设施之间的所要求的交互程度，本文提出了部队应用燃料电池发电系统的四种运行模式。并目_针对不同的运行模式，提出了部队可能应用的场所和相应的接口形式、控制原则。
本文根据通信部队集中发信台站的负载类型和特点，对燃料电池输出的电压一电流极化特性所带来的空载和满载电压差别，提出了应用模块式燃料电池的接口方案，通过模拟仿真，优化分析了以降电压控制技术为控制手段的多电平直流抓‘制器的接口方案，有效地解决了在发信机投入过程中负载电流变化时燃料电池发电系统电力接口器件减载运行问题，带来诸如模块化操作和增强发电可靠性等优点，提高了模块化燃料电池系统的利用率。
abstract
With the increase of energy demand, clean the distributed power becomes more and more important. Fuel cells as a kind of environmental protection, friendly interface of renewable energy and ideal of the distributed power, can be widely ten industries, and eye _ is a very ideal distributed power supply. Compared with the traditional energy, fuel cell power technology has the political, economic and environmental advantages. Fuel cell system clean, quiet, efficiency, and the characteristics of the event, make them suitable for 10 remote areas and the power of the weak infrastructure in developing countries. Fuel cell technology after nearly half a century of research and development, to the developed countries of the policy of the government support, fuel cell technology has developed rapidly, some types of fuel cells have entered into commercial application and military application stage. _ fuel cell as the distributed power application and
forces communication equipment is very ideal power application, this for fuel cell power generation system in China and the development of the army showed the broad prospect.
This article through to the basic knowledge of the fuel cell, the author introduces the working principle of the fuel cells and the types and characteristics. The development history of fuel cells, and fuel cell research and development and commercialization application status and development trend of clear, and also our troops to the communication power supply and the status of proton exchange membrane fuel cell technology in communication power supply 1 in the field of application advantages and prospect of comprehensive analysis, it raises the field of proton exchange membrane fuel cell needs to solve the key technology.
In this paper, put forward a fuel cell monomer dynamic electrical chemical model, with ten performance, simulation and evaluation small fuel cell power generation systems especially proton exchange membrane fuel cell stack of various performance, the results of the simulation show the fuel cell, the output voltage of efficiency and power and load current relations and the good load dynamic response ability, the paper put forward a practical application of peak power. According to the fuel cell power generation systems, forces the user load and power supply facilities is set for interaction between the degree, this paper puts forward fuel cell power generation system application forces of four operating mode. And orders for the operation mode of the different __, and puts forward the application of troops could place and the corresponding interface form, control principle.
This paper according to communication unit of the station sent a concentrated load types and characteristics of the fuel cell and the output voltage a current polarization characteristic brings the no-load and full load voltage difference, and put forward the application module type of fuel cell interface scheme, through the simulation, optimization analysis to drop the voltage control technology for control of the means of multilevel dc catch 'making machines interface scheme, which can effectively solve the letter in the process of investment in machine load current change fuel cell electric power generation system interface device and reducing load operation problem, bring about such as modular operation and enhance power reliability etc, and improve the utilization rate of modular fuel cell systems.
关键字:质子交换膜燃料电池，发电系统，军事应用，模型仿真，电力接口
Key word: proton exchange membrane fuel cell, power generation system, military applications, model simulation, power interface
1．绪论
1.1 引言
能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。能源是改变工业和全球经济的一个重要领域。人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。工业和人口的压力会增加未来对清洁能源的需求。生物技术革命可能使人的预期寿命延长，需要的能源会更多；电子业的发展肯定会要求更多的电能来开动机器；旅游、食品加工和金融都会增加对能源的需求。人类对健康生活的不懈追求，对空气质量要求越来越高，同时气候的改变造成自然灾
害的频发，迫使世界各国重新审视他们的能源应用政策。同时，各国的能源需求持续增长，对国外的石油依赖程度越来越高，这严重影响着一个国家的安全环境。因此，研究、开发和应用清洁的、可更新的能源技术成为当务之急。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从80年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。自从上个世纪60年代进行开发以来，截止于2002年5月，在全世界建设和投入运行的燃料电池发电系统大约有530个。这个数字还不包括输出功率10kW以下的燃料电池发电装置。燃料电池发电是在一定条件下使燃料（主要是H和氧化剂（空气中的）发生化学反应，将化学能直接转换为电能和热能的过程。与常规电池不同,只要有燃料和氧化剂供给，就会有持续不断的电力输出。与常规火力发电不同：它不受卡诺循环限制，能量转换效率高。与常规发电方式相比燃料电池具有以下优点:
(1)发电效率可达50-60%，组成的联合循环发电系统在10-50MW规模即可达到70%以上的发电效率；
(2)与传统的火电机组相比，CO2的排出量可减少40-60%。NOX和SOX的排放量很少；(3)小型高效，可提高供电可靠性；
(4)低噪音、电力质量高；
(5)负荷变化率高；
(6)燃料电池可使用的燃料有氢气、甲醇、煤气、沼气、天然气、轻油、柴油等；
(7)模块化结构，扩容和增容容易，建厂时间短；
(8)占地面积小于 1m/kW；
(9)自动化程度高，可实现无人操作。
燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。国际能源界预测，燃料电池是 21 世纪最有吸引力的发电方法之一。美国、欧洲和日本等发达国家投入巨资，并加以政策扶持，快步进入燃料电池以工业规模发电的行列，并已有商业化应用和军事运用的成功先例。在军事和商业领域，对先进的发电技术的需求正变得日益迫切和重要。诸多影响国家安全因素中包含这样一种需要，即减少对国外原油的依赖，向重要的军事、政治和经济部门提供充足安全的电力能源、应付类似 9.11 袭击等突发事件。而且社会和军队的现代化发展，能源的消耗量无疑是巨大的。这种国家战略安全的需要和巨大而昂贵的能源消耗正迫使国家有关部门去挖掘可替代能源以确保不断增长的能源需求。我国正处于高度发展的现代化建设的战略转型期，对能源的需求非常大，并且严峻的国家安全环境和复杂的台海局势的任何异动，都会对国家的能源安全提出挑战。从国家安全和国民经济可持续发展的战略高度出发，我国必须大力发展军民两用燃料电池发电技术
②油机发电机组。
作为通信电源野外工作的主要动力源，目前应用最为广泛，性能稳定可靠，但是也存在一些缺陷。例如，油机发电机组的效率不高（30%左右）；排放为有害气体（含有氮和硫的氧化物等有毒性物质）；在工作时存在不可避免的噪声、震动、高温等问题；其点火系统、输出电压波形畸变、碳刷与滑环(换向器)的电火花等都产生电磁波辐射，很容易暴露目标，和对通信信号产生不可避免的干扰；而且目前的发电机组的平均故障间隔时间(MTBF)和平均修理时间(MTTR)指标不高，需要进一步提高机动性、隐蔽性与可靠性。对于驻守在偏远地区和高寒山区的部(分)队，现有油机发电机组的性能受限，工作状态极不稳定。
(3)接入供电网供电。
在和平年代，我军通信装备的电源问题主要还是依靠接入公用供电网的方式解决。但随着国民经济的迅猛发展，各行各业对电力需要越来越大，电力部门不堪重负，各地方都采用了局部轮流停电的形式保证重点行业和部门的供电，不可避免地影响到部队的工作生活用电。而此时，仅仅依靠现有的油机发电机组已完全不能满足现有装备的电力需求，对部队的训练和执勤保障带来了极大的不便，影响了部队战斗力的生成。加之，台海局势的紧张，如发生不测事件及美国等国家可能的武力介入，在此情况下，我国不仅仅是面对台湾由民进党把持的军队，更大程度上是面对美国的强权势力，美国在科索沃战争中和两次伊拉克战争中使用的石墨炸弹和摧毁能源设施的举动完全可能会施加于我国的电力系统。我们必须制定相应的措施，未雨绸缪，防患于未然。与现有的汽、柴油机发电机组和蓄电池电源相比，军用燃料电池不仅可以弥补汽、柴油机发电机组难于克服的强目标特征信号（噪声、红外辐射、电磁辐射等）、弱目标隐身能力的安全缺陷，同时批量化后其体积重量、可靠性、操作和维护工作量、工作寿命、持续工作时间和防水性能等方面都较汽、柴油机发电机组有明显的改善。而批量化后逐步应用于实际任务时，燃料电池的体积重量、容量（能量密度）、持续工作时间、使用寿命等指标都要大大优于蓄电池电源，而且无需充电，避免了内漏电、过充电和过放电等损害电池寿命和容量等问题，大大减小了其维护工作量。
综上所述，燃料电池作为分散电源供电系统，在战争状态下的可靠性是任何其他系统所无法比拟的。即便是在和平建设时期，其发电特性与传统供电形式也具有许多优势。加快发展我国的燃料电池发电技术，对保障国家安全，抵御外敌入侵，促进国民经济健康发展和军队建设将起到不可估量的作用。
2.1.1工作原理
燃料电池是利用水的电解的逆反应的"发电机"。它由阳极、阴极和两极中间的电解质所组成。对外部电路来讲，阳极称作负极，阴极称作正极。它的发电方式与常规化学电池一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料(如氢等)的氧化过程，阴极催化氧化剂(如氧等)的还原过程，导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路做功并构成总的电的回路。在电池内这一化学能向电能的转化过程等温进行，即在燃料电池内，可在其操作温度下利用化学反应的自由能。但是，燃料电池的工作方式又与常规的化学电源不同，它的燃料和氧化剂并非贮存在电池内，而是贮存在电池外的贮罐内，当电池工作时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也需排出一定的废热，以维持电池工作温度的恒定。燃料电池本身只决定输出功率的大小，而贮存的能量则由燃料和氧化剂的贮罐决定。
燃料电池的种类较多,按燃料的供应方式来分类,可分为直接和间接供氢两种,直接供氢就是直接用氢作燃料,没有中间重整过程；间接供氢是通过重整装置先将氢从其它形式的燃料中分离出来。按工作温度来分,可分为低温(<100℃)、中温(100-300℃)和高温(500-1000℃)燃料电池。按采用的电解质类型来分,燃料电池大致可分为6种:质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电化物燃料电池(SOFC)。
2.1.2燃料电池的类型
①质子交换膜燃料电池（PEMFC）
该技术是美国通用电气公司在 20 世纪 50 年代发明的，被美国航空航天局用来为其Gemini 空间项目提供动力。目前这种燃料电池是最有前途、也是交通业拟用来取代原来使用的内燃机的一种燃料电池。质子交换膜燃料电池有时称为固态聚合物电解质膜燃料电池。在质子交换膜燃料电池中，核心是一个由多孔碳电极和一层薄的质子能够渗透但不导电的聚合物膜电解质组成的膜极组(MEA)。膜极组夹在两个集电板之间，通过两个集电板向外电路输出电力。膜极组和集电板串联组合成一个燃料电池堆。质子交换膜燃料电池具有较高的效率，在正常工作条件下，效率可达到近50%，其电功率密度也很高。工作温度约为 60-80℃，燃料电池能很快地达到运行所需的温度条件。因为具有高效率、高功率密度和起动快的特点，这也是其作为替代内燃机引擎的吸引力之一。但在这样的低温下，电化学反应正常地缓慢进行，通常在每个电极上的一层薄的白金进行催化。贵重金属催化剂的使用及相关部件生产工艺带来了 PEMFC 的高成本。随着原材料的改进和大规模生产技术的应用，将带来 PEMFC 技术的广泛应用。据美国能源部评估，如果每个燃料电池堆达到每千瓦 35 美元目标，对汽车市场极具吸引力。即便 10 倍于这个价格，对固定式和便携式应用也是可以接受的。
②碱性燃料电池（AFC）
碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。碱性燃料电池的设计基本与质子交换膜燃料电池的设计相似，但其使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质。碱性燃料电池的工作温度与质子交换膜燃料电池的工作温度相似，大约 80℃。因此，它们的启动也很快，但其电流密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，
因此可用于小型的固定发电装置。如同质子交换膜燃料电池一样，碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其它杂质也非常敏感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因为一氧化碳能与氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾，降低电池的性能。
③磷酸燃料电池（PAFC）
PAFC 是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。这种电池除使用液体磷酸为电解质外，电池结构和 PEMFC 类似。PAFC 的效率与 PEMFC 相近，但其功率密度要小于 PEMFC，工作温度要比质子交换膜燃料电池高，在 200℃左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。但同时因温度高而可以热电联产，并且具有构造简单、工作稳定、电解质挥发度低等优点。在过去的 20 多年中，大量的示范项目验证，磷酸燃料电池能成功地用于固定的应用，已有许多发电能力为 0.2–20 MW 的工作装置被在世界各地，为医院，学校、银行、政府机构和军事基地提供电力和热能。
④熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)
MCFC 主要为中型到大型固定式应用或海上应用而设计。与上述的燃料电池差异较大，这种电池是使用镍或氧化镍作为电极，以熔融锂钾碳酸盐或锂钠碳酸盐作为电解质，以不锈钢作为集电板。工作温度在 650℃，因此不需要贵重金属作催化剂。在这样的高温下，还能在内部重整诸如天然气和石油等碳氢化合物重整出的一氧化碳与水蒸气化合产生二氧化碳和氢气，解决了氢的供应问题，同时内部重整技术也大大简化了燃料电池科技中要求的辅助设施问题。但有一些碳氢化合物还需额外的燃料处理过程。这种燃料电池的效率可达 60%。如果热量能够加以利用，其潜在的效率可高达 80%。MCFC 电池需要较长的时间方能达到工作温度，因此不能用于交通运输，其电解质的温度和腐蚀特性表明它们用于家庭发电不太安全。但是其较高的发电效率对于大规模的工业加工和发电汽轮机则具有较大的吸引力。MCFC 市场定位还包括容量从 100kW 到 2MW，应用于小型分布式电力系统和建筑物的热电联供系统。50-100 MW 容量的设计已提到议事日程。
⑤固态氧化物燃料电池（SOFC）
固态氧化物燃料电池工作温度比熔融碳酸盐燃料电池的温度还要高，工作温度位于800-1000℃之间。高工作温度简化了系统结构，实现氢的内部重整，并更易于热电联供系统和混合电力系统的发展。由于使用诸如用氧化钇、稳定的氧化锆等固态陶瓷电解质和陶瓷镍电极，可以制成各种形状的 SOFC。常见有管式、平板式和瓦楞式三种。SOFC 目前发展的重点在于减低制造成本，提高系统综合度和降低工作温度(550-750℃)。由于制造高温材料成本很高，工作温度的下降可以降低成本，并有助于燃料的重整。由于使用了固态的电解质，SOFC 比 MCF更稳定。固态氧化物燃料电池的效率约为 60%左右，基于氢重整装置的简化和混合电力系统的结合，可以广泛地应用于住宅用电力系统、车辆辅助电源和大型电站应用。
⑥直接甲醇燃料电池（DMFC）
DMFC 是 PEMFC 一个变种，优点是直接使用甲醇而勿需预先重整。这种电池的标准工作温度为 120℃，比标准的质子交换膜燃料电池略高，其效率大约是 40%左右。其缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。直接甲醇燃料电池使用的技术仍处于其发展的早期，但已成s功地显示出可以用作移动电话和膝
上型电脑的电源，将来还具有为特殊的终端用户使用的潜力，是单兵战斗支持系统的理想电源。
2.1.3燃料电池系统构成
一个燃料电池系统由六个基本的子系统组成：燃料电池堆、燃料处理、空气管理、水管理、热量管理和功率调节子系统。每个子系统都要围绕电池堆特性综合成一个完整的系统而设计。追求这些子系统的最佳集成是制造合理性价比燃料电池系统的关键。
其中，燃料电池堆是燃料电池系统的主要部件，各个独立的电池堆组成的模块可进行串联或并联组装。这样能够组装成容量从几瓦到几兆瓦的发电系统。燃料电池的另一主要部件燃料处理器，虽然不能和电池堆一样实现模块化，但两者的一体化封装，也可以满足小到 kW 级电力的各种应用。功率调节系统把燃料电池的电力输出转换成适合特别需求和为其他辅助系统提供电源。燃料电池堆输出直流电压，这个电压随负载变化而产生变化。需要一种功率转换开关，使输出电压达到应用匹配要求和保护燃料电池免于过流或低压运行。如果应用要求输出交流电，则需采用逆变器把燃料电池堆的输出转换成单相或三相电压。如果要与电力网联接，功率调节系统必须实现燃料电池输出与电力线路的频率同步，并在电力线路断电时，具有预防由燃料电池输往电力线路的电力的安全隔离特性。
2.1.4燃料电池系统特性
与传统电力系统相比，燃料电池系统展现出较多的优势，包括模块化设计、各种负荷状态下的高效率和环保性。这些优势和旨在降低成本的努力，使燃料电池具有多种应用的吸引力。在各种应用领域，燃料电池系统表现出诱人的电力转换效率。而且在非设计条件情况下，也能保持较高的效率。如果燃料电池系统单独运行，效率可达40-50%，很少的中等规模传统发电系统在设计条件内能达到这个指标。而且，在部分负载特性方面，传统发电系统也不能象燃料电池发电系统一样保持高效率。更复杂的燃料电池系统能达到更高效率。由 SOFC 尾气所驱动的气涡轮机和燃料电池组成的复合系统，电力转换效率可达 60%。因为较小规模燃料电池也具有相当高的能量转换效率，在类似住宅场所作为热电联产应用是相当有潜力的，其效率可达到 80%。燃料电池的吸引力还在于它们比传统发电系统对环境影响比较小。燃料电池堆本身只利用氢作燃料，而在反应中产生水。如果通过重整设备从碳氢化合物提取氢，会产生二氧化碳。然而，燃料电池在反应中产生的 CO、NOX、 SOX等污染物，要远远
低于现有的空气质量排放标准，甚至根本不排放。由于系统能量转换效率高，燃料使用的数量就少，现不受严格控制的二氧化碳的排放也较少。除了控制污染物的排放量最小化外，燃料电池系统也是相对安静和无噪声的，对环境的综合影响较小。这个特性使燃料电池系统能够安装在传统电站不易建造的地方，比如可以安装在医院、住宅区，甚至在城市的中心公园。燃料电池就近安装，能减少电力传输损失、供热供电基础设施费用，并且在一定程度上提高了电力系统的可靠性。在其它特性上，如响应时间、工作寿命、可维护性和成本，预示着燃料电池系统较现有系统更具优势。PAFC 系统的示范项目表明，在设计温度下运行，燃料电池系统对负载变化的响应速度每秒要比现有系统高 0.3-10%。
[13]。而且，燃料电池的空气压缩机、燃料处理器等辅助系统所占的响应时间要多于燃料电池堆本身。对于高温燃料电池如 MCFC 和 SOFC,需要花较长时间来达到工作温度，因此这些系统往往应用于需要持续和长期供电的建筑物和大型交通运输工具(如舰船、机车和大型运输车等)。另一方面，由于 PEMFC 可以很快地达到其 60-80℃工作温度，在间歇工作的小汽车动力电源方面有较大的应用前景。除了辅助子系统外，燃料电池堆本身并没有移动部件，因而燃料电池堆耐用性较好，其工作寿命在固定式应用中可达 40 000 小时，在小汽车应用中可达 5000小时。到报废期限时，燃料电池堆可以回收并重新利用。而其辅助系统的工作寿命可长达 20 年，一次安装可以连续为四至五个燃料电池堆服务。诸如鼓风机、压缩机、空气泵、控制设备等辅助系统，可以由专业人员实施日常维护和保养。PAFC示范项目证实，随着辅助支持系统技术的成熟，相关的维护保养工作量在下降，而燃料电池堆几乎不存在维护和保养问题；包括燃料电池堆更换费用在内的维护费用大概保持在每千瓦时 1 美分到 3 美分之间。
[14]。目前，已投入商业应用的含天然气处理器的 200kW 的 PAFC 系统造价大概在5000-5600 美元/kW.其它类型的燃料电池系统的造价因规划和设计而异。在今后五年内，基于 PEMFC、MCFC 和 SOFC 的发电系统的造价有希望能降低至1000-3000 美元/kW。随着设计和制造技术的提高和产品容量的扩大，燃料电池系统的成本有望降至 1000 美元/kW 甚至更低
[15]。特别是汽车制造业正致力于把一个含有燃料处理器和其它子系统的 PEMFC 系统成本明显降低至 50 美元/kW。在固定式应用方面，低于 1000 美元/kW 的成本将使燃料电池系统可以与传统发电系统形成竞争态势。每 kW 几百美元的造价将使燃料电池技术在固定式应用市场具有统治地位，并可以掀起一场能源生产和配置方式的大变革。
2.2 燃料电池系统应用
2.2.1 便携式电源
当便携式电子设备对供电需求不断增长时，传统一次性电池和二次电池(可充电电池)似乎已不能完全满足其不断增长的能源需求。便携式电源指的是能够个人携带，功率输出在几瓦至数百瓦之间的系统。如野外应用电源，娱乐设备电源，便携式电子产品(电脑、手机等)电源和战场士兵战斗支持系统电源。基于DMFC和PEMFC技术的燃料电池非常适合这类应用。因为液体甲醇运输方便，DMFC尤其具有独特的吸引力。作为便携式应用的燃料电池，是可以和相关电子设备结合。
成一体的小型燃料电池。盒装的甲醇或罐装压缩氢气可以插入燃料接口，供给料电
池的空气可以通过对流或小型送风机来实现。如果燃料消耗完了，燃料箱可以更换。因此，根据需要携带额外的燃料筒，既可以省去充电的过程，又降低运输额外电池的成本。当作为便携应用的燃料电池技术走向商业化之时，还有一些困难必须克服。一是小型燃料电池缺乏今天一些高科技产品如笔记本电脑和个人数字助理在启动时要求的高脉冲功率能力。当前克服此障碍的设计方法是采用一个混合系统结构，即在 DMFC 或 PEMFC 的基础上，加上一个充电电池组并入系统电路。用此方法，电池能够满足最初的启动时要求的高功率，然后经过转换开关后，燃料电池能够提供长期的稳态的工作电力。一个发布于 2004 年 8 月的便携式燃料电池市场研究报告表明，带有充电装置的手持电子产品在 2011 年前有 22% 将由微型燃料电池所驱动。各方面的原始设备制造商宣布在 2005 年实现笔记本电脑用微型电池供电的商业计划，并推出了各种型号的笔记本电脑和手机用燃料电池。重要的军事应用燃料电池也将在 2006年实施
2.2.2 汽车动力
全世界对燃料电池的兴趣日渐增长的背后，不可否认的是，其主要的推动力量是燃料电池系统在交通运输业的诱人应用前景，其中也包括作为私人轿车动力源应用的潜在优势。北美、欧洲和日本的汽车制造厂商已经投资数十亿美元，用于促进PEMFC技术在运输行业的应用，生产出具有高效、低排放的特性，成本和体积可以与现有内燃机引擎相媲美的燃料电池功率装置。今天，许多有关燃料电池堆的技术难题已经或即将解决，当前发展的重点在于降低成本和解决燃料供应和系统集成的相关技术。
PEMFC以氢作燃料，能产生高达1.35kW/升的功率密度，这在示范项目中得到验证。一些汽车厂商已经推出了功率在60-80kW的燃料电池系统的概念车，在起动时间、时速、行驶距离和驾驶空间等性能上与传统燃油轿车具有可比性，但在氢的补给问题各厂商设计大相径庭。虽然氢的能量转换效率很高，但要解决存放气态氢的高压罐材料或液体氢的超低温处理问题，如果考虑从碳氢化合物(汽油、甲醇)中提取氢，则要解决氢的重整、汽油脱硫、甲醇基础设施建设及安全操作等技术难题。同样降低燃料电池堆及配套设施的成本也是研发汽车动力应用燃料电池系统中的一个迫切需要解决的材料技术和制造工艺的问题。
2.2.3固定式应用
在许多方面看来，燃料电池相对于汽车动力源的应用，更适合于作为分布式电源应用的类似固定式应用方式。在固定式应用中，大多数的系统将持续工作，从冷启动达到工作温度所需时间不再是一个重要的指标。因此，除了 PAFC 和PEMFC 系统外，较高工作温度系统如 MCFC，SOFC 也可以考虑作为固定式应用的对象。另外，现今在某些燃料电池系统应用领域高达 1500 美元/kW 的成本，对固定式应用来讲，这是可以接受的、具有吸引力的价格。而且在固定式应用中，燃料主要来源于天然气，其主要成份是属于轻质烃的甲烷，相对容易重整，并且天然气的配送基础设施健全。因此，有前途的固定式应用包括高品质电源、热电联产系统(应用于住所、商业建筑和工业设备)和电力网的分布式电站。许多诸如政府的数据处理中心、电讯设备和重要部门的设施要求非常高品质的电源。电噪声、电压扰动和电力中断都会造成珍贵资料的丢失或信息传输的中断。许多工业生产过程，如半导体制造业，也有同样的高品质电源需求。医院一旦断电，需具备继续手术的应急电源。传统的采用柴油机作为现场后备电源系统通常在紧急情况下使用。而拥有高效率、低噪声和低排放的燃料电池系统能够连续地支持或代替这些场所的供电需求，可以作为常载的供电系统应用于这些场合。即便是没有后备电源的需求，燃料电池系统在同时热能和电力的场所也是具有吸引力的。比
如一个服务于住宅的燃料电池系统可以给照明、空调等生活设施提供电力，同时也可以利用热能提供热水。适用于住宅设施的基于 PEMFC 和SOFC 的燃料电池科技正在发展中。同样对此有需求的还有医院、学生宿舍、旅馆和办公楼等场所。电能和热能的双重利用使燃料电池系统比市电更加经济。电力公司也因为燃料电池具有高效率、模块性和环保性等因素，有兴趣把它作为中心电站或分布式电源使用。分布式电源一般应用于偏远地区或是电力需求增长超出电力设施承载能力的地区。对这些地区来说，就近扩大电力生产能力比改造现有电力网更经济合算。燃料电池发电系统模块化、可调的装机容量等特性比传统发电系统更适合配置在这些地区和场所。
到目前为止，固定式燃料电池应用开展最好的国家是日本。其政府早在上个世纪 80 年代就开始向燃料电池固定式应用项目提供资金支持，并且一些日本公司，如 Tokyo Gas 和Osaka Gas 已经进行了世界上最大规模的固定式燃料电池系统的试验项目。美国对此项目应用的政府支持也很显著，主要是美国的能源部和国防部，自 1994 年以来，已经在 30 个军事基地进行了 PAFC 示范项目。大多数的已经运行的系统是 PAFC 发电系统，在固定式应用方面目前拥有最先进的科技和商业化先进技术支持。这些系统绝大多数是美国的 UTC Fuel Cells公司从上个世纪 90 年代开始出售的 200kW 的 PC25 系统。International Fuel Cells公司也在 70 年代至 80 年代进行了 PAFC 示范项目，并且 PC25 系统已经在全球有了广泛的应用。而就军事应用来说，PAFC 和 SOFC 主要倾向于应用在大型军事基地和重要军事目标的大功率的现场热电联供项目，而 DMFC 和 PEMFC 更具有作为小功率的固定或移动通信设备的电源应用的潜力和优势。
2.3PEMFC 作为军事通信电源的优势
通信电源是现代战争通信的动力源，其工作性能直接决定了野战部队的机动能力、作战半径和生存能力，是贯穿现代高科技战争的神经网络。PEMFC 的优良特性使其能够满足未来复杂、多变的战场环境对通信电源的特殊要求。与传统的通信电源相比，PEMFC 具有以下优势：
①隐身性能好，具有很低的目标特征信号
PEMFC 发电系统由于工作时基本无转动部件，而且是通过化学反应直接产生电流，安静（现有的柴、汽油发电机组的工作噪声大于 90dB，而上百千瓦的燃料电池发电系统噪声就低于 50dB，相当于家用空调的噪声等级）、低温（最高 80℃左右）。因此与柴、汽油机发电机组相比，军用燃料电池可以弥补柴、汽油机发电机组难于克服的强特征信号（声波、红外、电磁等）辐射、弱隐身能力的缺陷，提高战场的抗毁能力，尤其适合应用于野外侦察、山地突袭等灵活机动的作战方式。
②维护方便，可靠性高，使用寿命长
因为燃料电池发电系统由于其工作时基本无转动部件，不存在机械磨损和事故隐患，也没有了蓄电池的内漏电、过充电和过放电等问题，因此大大减少了维护工作量，使用寿命长，可靠性高。
③能量密度高，持续工作时间长
燃料电池具有高的能量密度，集成化的燃料电池发电系统其能量密度可以是同功率等级下锂电池的两倍。目前最好的锂电池理论能量密度是 1470W·h/kg，但正常情况下利用率仅为 20%, 为 300W·h/kg，而采用同等重量的燃料电池，能量密度可达到 2620W·h/kg。同时，燃料电池能够实现不间断的长时间供电。由于燃料电池的燃料和氧化剂由外部供应，因此与蓄电池相比，持续工作时间存在明显优势。只要有足够的燃料储备，无需充电，整个发电系统就能够实现长间不间断工作。
④燃料多样，效率高
燃料电池燃料利用率可达 98%，能量转换效率高达 60-80%，实际使用效率则是普通内燃机的 2-3 倍，为 60%。不管是满负荷还是部分负荷燃料电池均能保持高发电效率，具有很强的过负载能力。通过与燃料供给装置的组合，可以采用氢气、醇类等富氢物质作为燃料。
⑤体积小，重量轻。
可以实现单兵背负作战，克服了蓄电池容量小和柴（或汽）油机发电系统不能移动的缺点，在现在瞬息万变的战场上使其存活率得以大大提高。运输/储存能量无损失，燃料填装方便快捷。燃料电池发电系统不同于一般的电池，当不工作时，电池内部并没有可以发生反应的物质，也就不存在内放电等问题，唯一需要储/运的是燃料，而采用贮氢合金的储氢方法可以实现安全、无泄露的燃料储/运。
2.4 军用 PEMFC 电源研发的关键技术
根据野战和固定应用通信电源的发展需求，结合现有燃料电池的研究水平，应在以下几个方面展开对小型野战燃料电池发电系统的关键技术研究：
①系统的简单化、模块化与轻便化设计
燃料电池的稳定、正常工作需要一个比较复杂的系统，但另一方面，在保证供电质量的前提下，为不失系统的机动性，系统应该进行适当的简化，不能过多牺牲其优点来换取供电性能的有限提高。因此，在保证供电性能的前提下，系统设计向便携化、轻型化看齐。各主要部件以及系统的整体设计应力求简单、方便、易操作，各功能单元应力求模块化。当前，研究重点应放在燃料电池堆的小型化、轻型化，DC/DC 电能变换、水/热管理、控制等功能单元的模块化。其中，PEMFC的小型化和轻型化研究主要在以下几个方面：改善催化剂性能，提高电极的利用率；进行新型、高效的流场分布设计，改善电池堆的内部增湿环境；选取更高性能的质子交换膜，提高其电流密度，增大电池的输出功率；采用性能更为优良的复合材料。
②整体系统的有效集成
燃料电池的稳定工作需要其各个子系统的协调，在进行了各子系统的方案设计与研制后，需要对系统的集成进行研究，保证整体系统能够正常、稳定的工作，其内部器件要合理配置，同时又要满足整体小型化、集成化的要求。在总体方案制定阶段需要对发电系统的各个部分的外形、尺寸、工艺等方面进行预先规划，进行一体化设计，以便于整体系统的集成、装配，也利于系统的保养与维护。影响系统性能的运行参数和影响要素并不是独立的，彼此
之间相互制约、相互影响；单个参数的改变可能会改变其他所有的参数，从而影响整个系统的工作性能。因此，在系统及其控制方案设计中，必须综合考虑这些参数的协调控制，而不能各行其是，顾此失彼。可利用模糊控制技术，把握总体，对复杂多变的参数进行优化，实现对其的有效控制。
③储氢单元的储氢器设计和储/供氢特性的提高
从稳定性与安全性的角度出发，比较实用的是可逆金属储/供氢方式。由于贮氢合金在吸/放氢过程中伴随着自身体积、温度、材料活性等一些参数的变化，当这些参数超出合适的正常工作范围时，会使贮氢材料的性能大大降低。因此，不同贮氢材料的储存设备需要进行专门设计，以利于贮氢合金的正常储/供氢，同时保证其稳定性和安全性。贮氢材料的储/供氢特性与其影响参数（温度、压力等）息息相关，了解其内部影响机理，寻求储能更高的新材料、新工艺和新手段，以提高储/放氢性能，达到实用的储氢要求，是实现系统实用化的重要方面，也有助于系统整体的轻型化和小型化。
④电池堆的热管理
如前所述，温度对 PEMFC 的影响至关重要。PEMFC 的工作温度较环境温度高，但不能超过 100℃，否则各种极化作用都将增强，电池性能将恶化；温度过低，催化剂活性不足，燃料电池效率大大降低。因此对燃料电池本体应设法保持80℃的最佳温度值。此外，系统的功率变换、控制单元、供气动力源等部件也是不可忽视的热源，尤其是变换、控制单元，如果温度超过 80℃，会对电子器件的性能造成损害，因此应对其良好散热。而对于储氢单元，若采用储氢合金储氢，又要考虑其放氢时吸热的特性，为其提供充足热量。因此，好的热管理能综合平衡发电系统的内部放热源和吸热源，实现热量的合理分配，维持系统的最佳工作点。完整的燃料电池发电系统其热管理单元也是十分复杂的，涉及热力学、流体力学等多方面知识，研究的重点应放在热量的综合利用、合理分配上。
⑤电池堆的水管理
PEMFC 电池堆的阴极与阳极之间夹有一层极薄的质子交换膜，H就是通过这层膜从阳极到达阴极，并在阴极与 O2结合成 H3O+,从而形成电流。当膜的润湿状况良好时,电池堆内阻低，其输出电压高，负载能力强；当膜的润湿状况变坏时,电池堆内阻增大，其输出电压下降，负载能力降低。要确保 PEMFC 供电系统有足够高的负载能力，对湿度的调节与控制是必不可少的。燃料电池的水管理实现起来难度较大，如何实现有效的水管理将是今后研究的重点。在系统的开发中，各种水管理途径，包括电池本体的结构优化，排水法以及反应气体加湿法应该综合运用，有效结合。例如，常压氢-空型 PEMFC 电池堆来说，其内部电化学生成的水分无法满足质子交换膜对湿度的要求，给反应气体增湿是非常必要的。可以采用同时对氢气、空气增湿的外增湿的方案，增湿量的控制采取定时间歇供水的方式来实现。
⑥系统的运行控制和运用
除了上述针对燃料电池系统本身技术的研发之外，对军用燃料电池系统的外部输出特性的研发也应尽早提上议事日程。这将有助于解决与现有通信装备的联接问题，有助于在实际应用中提高燃料电池利用率，形成与现有通信装备供电方式结合的组织运用原则，有助于军用燃料电池能尽快形成战斗力，在部队现代化建设中发挥更大的作用。目前，中国人
民解放军重庆通信学院在进行野战军用质子交换膜燃料电池发电系统的研发工作，已经在系统集成、模块化设计等方面取得较大的突破，下一步将重点推进应用领域的研发工作，因此进行相关输出特性的研究，对于我军开展燃料电池应用项目有一定的促进作用。
2.5 小结
燃料电池系统体现出的诸多优势，保证燃料电池系统在每一个应用领域展现其良好的应用优势。基于 PEMFC 和 DMFC 技术的燃料电池系统能更轻便提供电力。基于 PEMFC 技术的系统能为运输行业带来更高效、清洁的动力。PEMFC、PAFC、MCFC 和 SOFC 比较适合现场热电联产应用，高达 80%的热电联产效率将减少能源使用和降低对境环的影响。质子交换膜燃料电池具有诸多作为野战通信电源的优势，解决其设计和研发的关键技术是一项系统工程，并且我军对野战质子交换膜燃料电池的开发已经起步，迫切需要进行后续的应用基础研究和分析。
2.6 参考文献
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燃料电池系统工厂设计规范 1范围 本文件规定了燃料电池系统工厂设计的基本规定、总体规划、系统工艺、测试区、数字化工厂设计、车间供氢站、建筑结构、气体管路、暖通、给水排水、电气和消防与安全规范。 本规范适用于氢燃料质子交换膜燃料电池系统工厂的新建、改建、扩建工程设计，也适用于燃料电池系统研发、生产、测试的场所。 2规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T24548燃料电池电动汽车术语 GB/T37244质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气 GB3836.14爆炸性环境第14部分：场所分类爆炸性气体环境 GB3095环境空气质量标准 GB50016建筑设计防火规范（2018年版） GB50177氢气站设计规范 GB/T31139移动式加氢设施技术规范 GB/T14976流体输送用不锈钢无缝钢管 GB/T12771流体输送用不锈钢焊接钢管 GB50028城镇燃气设计规范 GB50516加氢站技术规范 GB50029压缩空气站设计规范 GB50316工业金属管道设计规范 GB4962氢气使用安全技术规程 GB7231工业管道的基本识别色、识别符号和安全标识 GB50019工业建筑供暖通风与空气调节设计规范 GB50058爆炸危险环境电力装置设计规范 GB50116火灾自动报警系统设计规范 GB50222建筑内部装修设计防火规范
GB51245工业建筑节能设计统一标准 GB50011建筑抗震设计规范 GB51022门式刚架轻型房屋钢结构技术规范 GB/T50476混凝土结构耐久性设计规范 GB50223建筑工程抗震设防分类标准 GB50010混凝土结构设计规范 GB50017钢结构设计标准 GB50153工程结构可靠性设计统一标准 GB50009建筑结构荷载规范 GB50974消防给水及消火栓系统技术规范 GB50193二氧化碳气体灭火系统设计规范 GB50370气体灭火系统设计规范 GB50140建筑灭火器配置设计规范 GB51309消防应急照明和疏散指示系统技术标准 GB25972气体灭火系统及部件 GB50981建筑机电工程抗震设计规范 GB50013室外给水设计标准 GB50014室外排水设计规范 GB50015建筑给排水设计标准 GB50054低压配电设计规范 GB50034建筑照明设计标准 氢燃料电池汽车安全指南（2019版） 3.术语 3.1 燃料电池系统fuel cell system 指氢燃料电池发动机，主要部件包括电堆、发动机控制系统、氢气供给系统、水热管理系统、空气供给系统等，在外接氢源及物料（空气、水）的条件下可以正常工作。 3.2 氢燃料fuel hydrogen 满足燃料电池系统正常工作的气态氢气燃料，品质符合现行《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》GB/T37244。
简述燃料电池的应用及发展状况 摘要：燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来得到国内外普遍重视。目前燃料电池在宇宙飞船、航天飞机及潜艇动力能源方面已得到应用，在汽车、电站及便携式电源等民用领域成功地示范，但低成本、长寿命仍是商业化面临的瓶颈问题。而且我国在燃料电池方面的研究与外国还有一定差距，需要科研工作者更多的努力。 关键字：燃料电池分类应用发展状况 1. 燃料电池的概念 燃料电池（Fuel Cell）是一种电化学设备，它直接、高效地将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化为电能。燃料电池的基本物理结构由一个 电解质层组成，它的一边与一个多孔渗透 的阳极相连，另一边与一个多孔渗透的阴 极相连，气态燃料电池连续不断地输入阳 极（负电极），同时氧化剂连续不断地输 入阴极（正电极），在两个电极上发生电 化学反应，产生电流[1]。其基本结构如图 所示： 2. 燃料电池的分类及其优点 随着现代文明发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式存在两大弊病：一是储存于燃料中的化学能要首先转变成热能后才能被转变成电能或机械能，受卡诺循环及现代材料的限制，转化效率低（33~35%），造成严重的能源浪费；二是传统的能源利用方式造成了大量的废水、废气、废渣、废热和噪声污染，严重威胁着人类的生存环境。现代社会所建立起来的庞大的能源系统已无法适应未来社会对高效、清洁、经济、安全的能源体系的要求，能源发展正面临着巨大的挑战：能源短缺与环境污染，因此探索新能源以及新的能源利用方式，是全球可持续发展迫切需要解决的重大课题。 燃料电池是一种电化学发电装置，等温地按电化学方式将化学能转化为电
车载用动力燃料电池系统设计 背景：随着汽车工业的迅猛发展和汽车保有量的飞速增长，全球石油资源递减和环境污染等问题却日益突出。世界各国政府开始投入大量的人力、物力、财力竞相研制和开发旨在以节能、环保为终极目标的混合动力汽车、纯电动汽车等新能源汽车。电动汽车作为一种节能、无污染的理想“零排放”汽车，理所当然地受到了广泛的关注与重视，并在今后汽车工业的发展中占有越来越重要的地位。燃料电池电动汽车（FCEV）由燃料电池提供动力源，主要是以氢燃料类型为主，其具有无污染、零排放、氢能资源丰富，制取方法很多，可获取性大等优势。以质子交换膜燃料电池为主，其燃料转换效率相比传统内燃机高达60%～70%，代表了新能源汽车的发展方向，我国863计划当中，明确将燃料电池汽车发展放在了我国的电动汽车发展的首位。 一、FECV分类及构造 FCEV是以电力驱动为惟一的驱动模式，其电气化和自动化的程度大大高于内燃机汽车，早期用内燃机汽车底盘改装的FCEV，在汽车底盘上布置了氢气储存罐或甲醇改质系统，燃料电池发动机系统，电气控制系统和电机驱动系统等总成和装置，在进行总布置时受到一些局限。新研发的FCEV采用了滑板式底盘，将FCEV的氢气储存罐和供应系统、燃料电池发动机系统、电能转换系统、电机驱动系统、转向系统和制动
系统等，统统装在一个滑板式的底盘中，在底盘上部可以布置不同用途的车身和个性化造型的车身。采用多种现代技术，以计算机控制为核心和电子控制的"线传"系统(Control-by-wire)，CAN总线系统等，使新型燃料电池电动车辆进入一个全新的时代FCEV按主要燃料种类可分为:①以纯氢气为燃料的FCEV;②以甲醇改质后产生的氢气为燃料的FCEV。FCEV按"多电源"的配置不同，可分为:①纯燃料电池FCEV;②燃料电池与蓄电池混合电源的FCEV;③燃料电池与蓄电池和超级电容器混合电源的FCEV。后2种多电源的配置方式是FCEV的主要配置方式。辅助电源用于提供起动电流和回收制动反馈的电能。图 1 所示为典型的能量混合型的燃料电池动力系统示意图。这种车型不但具有纯燃料电池汽车的优点，还能够克服纯燃料电池汽车目前无法解决的缺陷。 图 1 燃料电池汽车混合动力系统示意图 二、动力蓄电池选型及参数设计 1 动力蓄电池的分类及比较作为辅助动力源的动力蓄电池，在汽车起步的工况下提供全部动力；当汽车在加速或爬坡等工况时，为主动力源
AIR OUT AIR IN H2IN DI-WEG IN DI-WEG OUT 图1 1号电堆模块系统图 H2PURGE1 24V H2PURGE2
WEXPT 图2 车用1号电堆系统系统图
表1 模块附件表：
表2 车载系统附件表：
2.1 模块 ●冷却液与压缩空气热交换器 因冷却液的温度适应电堆要求，该热交换器的作用，一是压缩空气温度过高时降温（起中冷器作用），二是压缩空气温度较低时加热。考虑到要适应低温环境，最好采用。 ●氢气入口压力调整器 电堆的氢气入口压力调整，由PT-H3、EPV-H4、PT-H4组成，通过程序采集压力和控制比例阀来实现。为了控制准确和简单管路，将PT-H2、EV-H2、PT-H3、EPV-H4、PT-H4做到一个阀组（manifold）上。 ●阳极压力保护 为防止氢气入口压力调整器失效，而使阳极产生高压毁坏电堆。采用安全阀SRV-H5保护。 ●外增湿器 外增湿器采用膜增湿器，用电堆的出口湿空气来增湿电堆得入口干空气。具体是否采用，要看电堆的需求。 ●氢气循环 氢气循环，一是使阳极的氢气的湿度均匀，二是加热入口的氢气。 ●氢气吹扫（排放）阀 氢气吹扫阀，是用1个还是在电堆氢气出口的2端各用1个。 要看电堆的阳极结构，因氢气回流后，多少会有一些液态水，若
不能及时吹扫掉，会影响水平较低段的节电池性能，也不利于防冻处理。 ●电堆空气出口压力 电堆出口压力，采用电磁比例阀EPV-A6和电堆出口压力表PT-A5形成回路来控制。为防止憋压，比例阀为常开阀。 ●电堆高压输出正负极对结构接地（搭铁）绝缘电阻检测 电堆高压输出正负极对结构接地的绝缘电阻小时，会危害电堆的安全。在模块中需要加入检测单元。绝缘电阻的要求，单节电池为1200欧，150节为180千欧。 ●电机调速器的电源 因空压机的功率一般大于1kW，采用电堆的高压电源，在启动或停止的过程中需要外电源供电。启动和停止时由预充电电源PS-HV6供电。 氢气循环泵，因功率一般小于500W，且只在电堆工作时运行，采用外部24VDC单独供电。 ●节电池电压巡检单元 节电池电压巡检单元，与电堆的结构做到一起，自带MPU，与模块控制器采用通讯联系（CAN和RS485）。这样会使检测电缆最短，提高可靠性和美观。 ●模块控制器 控制器的MCU选用飞思卡尔的MC9S12CE，硬件和壳体，若能采购满足要求的现成控制器，则采购；实验调试完成后，沿用
燃料电池客车发展情况及技术发展趋势一、燃料电池汽车政策分析 《关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策方的通知》（财建(2015)134号）中明确：“2017-2020年，除燃料电池汽车外，其他车型补助标准适当退坡”，明确了国家对燃料电池汽车产业发展的支持态度。而《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中提出，要系统推进燃料电池汽车研发与产业化，到2020年，实现燃料电池汽车批量生产和规模化示应用。 在财政补贴层面，国家也给予了大力支持，包括整车补贴、加氢站补贴、免征购置税以及运营补贴等。其中，整车补贴额度从20万到50万每辆不等，一个加氢站则补贴400万元，运营补贴中，燃料电池客车补贴为6万元/辆/年。 二、氢燃料电池产业链概述 氢燃料电池汽车产业链包括制氢、储氢、运氢、加氢、应用（燃料电池汽车/有轨电车）等环节。 氢气制造一般是通过将化石原料、化工原料、工业尾气、可再生能源以及水等经过处理来获取，每种获取途径其成本和环保属性都不同。中国目前主要通过工业尾气处理以及电解水来制氢。长河认为，对于燃料电池来说，现在配套基础设施还有待进一步完善，需要政府以及行业机构以及专家尽快推进立法和相应的技术标准予以规。
长河表示，制氢的方法和方案比较多，而目前燃料电池汽车使用最大瓶颈和最大的障碍是缺乏加氢站。据其统计，截止到2013年底，全球加氢站只有228座，对于我国来说，我国真正投入商业化、用于燃料电池的加氢站只有两座，仅仅限于国比较大的城市，就是和，处于示运营阶段，与国外说的氢高速公路，也就是一条高速公路有多个加氢站相比，差距比较大。 在整个氢燃料电池产业链中，氢燃料电池发动机处于绝对的核心地位，氢燃料经过发动机转化为电能应用到终端。长河表示，目前制约中国燃料电池汽车发展的瓶颈，就是氢燃料电池发动机。虽然国有不少高校和相应科研机构以及企业，在就燃料电池发动机技术展开相应研究和示性运营应用，但是氢燃料电池发动机核心技术，这两年通过评估，能够达到产业化或者达到工业化应用的，核心技术仍然掌握在国外企业手中。
质子交换膜燃料电池控制策略研究 质子交换膜燃料电池与其他种类电池的差别就是，质子交换膜燃料电池的出现以使用清洁、对环境无污染、效率高为特点，是一种很有价值的发明，就我国目前的情况来看，质子交换膜燃料电池在我国的各个领域中已经被接纳。在进行研究质子交换膜燃料电池的最终目的就是为了让质子交换膜燃料电池的效率更高而且更加的稳定。这就需要对质子交换膜燃料电池的性质进行研究，让质子交换膜燃料电池的特性可以控制。在本文中进行了质子交换膜燃料电池自身特点以及质子交换膜燃料电池的分类的介绍，也简述了质子交换膜燃料电池电池控制策略。 标签：燃料电池;质子交换膜;策略与研究 随着世界经济的共同发展，在发展中已经产生了对环境的严重的破坏，这就让全世界开始共同对环境的保护、资源的高效率的利用进行了研究。而可持续发展与绿色环保节能减排也已经成为了当下的主流话题。这就让经济的发展在向可持续发展的方向进行着，在我国虽然已经逐渐开始了可再生能源与清洁能源的使用，但这种改变对于我国对石油、煤矿、天然气等不可再生能源的使用情况并没有做出多大的改善，虽然我国的资源丰富但由于人口众多，但由于人均的资源量很少，针对于现在的不可再生能源的使用速度，到本世纪末这些不可再生能源就会逐渐地面临枯竭的现象。而燃料电池的发电技术的出现，由于其优越的自身特性，让其可以成为我国改变现状的方式之一。 一、燃料电池特点 随着科技的逐渐发展，出现了与化学电池不同工作原理的燃料电池。燃料电池的出现后产生了很大的影响，原因就是燃料电池的燃料与电能的转化效率是极其优秀的，对于能量之间的相互转换损失很小。而且还能对自身产生的热量进行二次的利用，当开始电能的转化时，对于环境的污染几乎没有，也不会产生大量的垃圾，在整个生产的过程中水是唯一的产物。在燃料电池开始运行时，对于电能的输出很好，而且燃料电池在运行的过程中只有很小的声音，本身可以长久的使用，稳定性极佳。在燃料电池运行的过程中，内部没有机械构件，只有水与其他在转化。燃料电池的构造很简单，出现问题时维修方便，而且燃料电池的组装分很多的模块，在进行安装时方便。燃料电池的主要燃料就是氢气，氢气的价格便宜，而且氢气的来源广泛，可以在短时间内收集燃料。燃料电池对于环境可以迅速的适应，而且燃料电池的功率大、对于工作性能可以快速的适应，周围的环境就算有水存在也不会有很大的影响。 二、研究现状与存在问题 对于燃料电池的燃料氢气而言，氢气的本身可以当作能源使用。燃料电池在使用的途径上有便携式的能源、小型移动电源、车载电源等，可以在教学、汽车、科研、计算机等多种的领域进行应用，还可以充当紧急电源，而且在特殊的情况
氢燃料电池系统在通信系统备用电源中的应用 一、通信备用电源系统简介 通信基站一般用市电供电，为保证基站正常工作，需要给基站配备备用电源系统如铅酸蓄电池组和移动油机，在断电时，备用电源系统为基站中的负载供电，保证设备的正常运行。 铅酸蓄电池的优点是比较安全且采购成本较低，其缺点是体积大、笨重、造成一次和二次环境污染、备电时间有限且有不确定性、对环境温度要求苛刻。 当铅酸蓄电池因放电时间较长将要退服或出现故障时，移动油机成为现实可用的备用电源，但移动油机后勤保障复杂，需有人值守，有噪声污染及废气污染。 鉴于铅酸蓄电池和移动油机的种种缺点，加之能源危机和人们环保意识的提高，寻求新的备用电源的呼声越来越高，氢燃料电池是最理想的替代者之一。 二、氢燃料电池的原理 氢燃料电池是一种高效电化学能量转换器，把氢气（燃料）和氧气（来自空气）中的化学能直接转化成电能。只要有燃料和空气不断输入，燃料电池就能源源不断地产生电能，因此，燃料电池兼具电池和油机的特点。 燃料在燃料电池的阳极被氧化，生成质子和电子；质子通过电解质迁移到阴极，电子通过外电路迁移到阴极为外界负载提供电能；迁移到阴极的质子、电子和阴极处来自空气中的氧气结合生成水。燃料电池的主要优点包括：高效率（不受“卡诺循环”的限制）、零或超低排放、机械结构简单、扩展容易、安静、安全、可靠、能用可再生能源为燃料、只要有燃料就可连续不断地发电。 三、氢燃料电池与现有备用电源的比较 1、与铅酸电池的比较 和铅酸电池相比，燃料电池的主要优点包括： 适应环境温度范围宽广，基站温度可设定在32℃或更高，这样每年可节约大量空调电费。 只要保证氢气的供应就可持续供电，在发生大的自然灾害时可以保持长时间的通信畅通，为此而保护的生命、财产是难以用金钱来衡量的。 按设定电压稳定输出电能，而不像铅酸电池在剩余电量达到最低值前，放电电压衰减很快且难以预测。 重量轻，不需特殊的承重处理。 占地面积小，安置位置灵活，既可安置在室外也可安置在室内。 寿命设计一般是累计使用时间1500小时、累计开关次数超过600次、储存寿命10年，而铅酸电池几年就要更换。 安全性高，燃料电池系统中有多种传感器，系统可自动采取应对措施，如：当氢气泄漏时，燃料电池控制系统会自动关闭气源，避免泄漏持续；可远程监控，及时发现问题。世界上还没有燃料电池发生氢气燃爆事故。 2、与移动油机的比较 与移动油机比较，氢燃料电池最大优点是： 自动控制，可实现无人值守，通过遥测、遥控手段来监控系统的运行状态及氢气的剩余量，实现远程管理。 低噪音、无废气排放。燃料电池系统机械运动部件较少，所以系统比较安静，其排放物为水，对环境友好。 四、通信备用氢燃料电池系统的应用 1、系统的接入 燃料电池系统可以布置于室内和室外，但作为通信备用电源系统，根据现有通信机房的
基于HCS12的实时嵌入式燃料电池控制系统 白日光3,1，萧蕴诗1，孙泽昌3,2 （1．同济大学控制工程与科学系，上海 200092；2．同济大学汽车学院，上海 200092； 3．同济大学摩托罗拉汽车电子联合实验室，上海 20092） 摘要：燃料电池控制器是燃料电池中非常关键的部分，对于燃料电池稳定而安全的工作有积极的作用。针对燃料电池控制中要求较高的实时性与可靠性，利用摩托罗拉16位单片机MC9S12DP256b把实时嵌入式系统UC/OS-II成功移植到控制中。本文结合HCS12单片机和Codewarrior编译器的特点详细介绍了内核的优化实现，并利用实例说明了嵌入式操作系统带来的优点。 关键词：UC/OS-II；燃料电池控制器（FCC）；MC9S12DP256b；移植；内核 Real Time Kernel Fuel Cell Control System Based on HCS12 Bai Riguang3,1，Xiao Yunshi1，Sun Zechang3,2 (1. Department of Control Engineering & Science, Tongji University, Shanghai, 200092, China; 2. Automobile College, Tongji University, Shanghai, 200092,China; 3. Tongji University Motorola Automobile Electronic Laboratory, Shanghai, 200092, China) Abstract: The Fuel Cell Controller (FCC) is an important part of Fuel Cell. It affects steady and safe running of Fuel Cell. Considering real time and reliability qualities of FCC, we port real time embedded operation system UC/OS-II to the controller using HCS12. With the characteristic of HCS12 single chip and Codewarrior, the paper introduces the implementation of the kernel in details, and shows the advantage of the embedded operation system by an example. Key words: UC/OS-II; fuel cell controller (FCC); MC9S12DP256b; port; kernel 0 引言 随着汽车工业的发展，人类对传统能源（如原油）的需求日益扩大，从而带来空气污染和资源枯竭两大问题，燃料电池作为一种新型的绿色能源开始受到人类的关注。结合由同济大学承担的国家863电动汽车重大专项——燃料电池轿车项目，需要开发适用于质子交换膜燃料电池稳定而安全工作的燃料电池控制器。考虑到燃料电池控制器硬件资源的需求，研究中利用了摩托罗拉公司的16位单片机MC9S12DP256b。为了进一步满足控制中高可靠性与实时性的要求，把内核公开的UC/OS-II实时嵌入式操作系统移植到此单片机中，从而使开发具有更好的扩展性。本文首次把实时嵌入式操作系统应用到燃料电池控制中，取得了良好的效果。 基金项目：国家863电动汽车重大专项（2003AA501）作者简介：白日光（1980—），男，硕士生，主要从事燃料电池控制器，过程控制与计算机控制方向研究。 萧蕴诗（1946—），男，教授，博士生导师，主要研究方向为智能控制理论与系统。 孙泽昌（1953—），男，教授，博士生导师，主要研究方向为汽车电子。1 系统平台介绍 1．1 硬件MC9S12DP256b]1[ MC9S12DP256b是摩托罗拉16位单片机HCS12家族中的一员，它的处理单元采用了16位的STAR12 CPU。此单片机内嵌了很多资源，包括256K FLASH,4K EEPROM，12K RAM，8通道定时器以及多种通信接口。此单片机可通过单线BDM进行程序的编译，下载和在线调试。 1．2 软件平台Codewarrior Codewarrior是Metrowerks公司开发的一个编程环境。这里使用的Codewarrior4.2是专门针对HCS12系列单片机开发的，他可以用来进行程序编辑，编译，连接和在线调试等多项功能，并支持多种语言功能，可在C中嵌入汇编程序。 1．3 嵌入式操作系统UC/OS-II内核]2[ UC/OS-II(Micro Control Operation System Two)是一种源代码公开的嵌入式操作系统, 程序绝大部分是用C语言写的, 带有少量的汇编程序, 并且有详细的说明和示例, 可移植、易调试, 稳定性与可靠性高, 功能也比较完善。在改进后的2.51版]3[中包括了任务管理，时间管理，任务间通信（消息，邮箱，信号量和标志）和内存管理等多项功能。
收稿日期:2005-11-03 作者简介:杨润红(1974-),女,北京交通大学机械与电子控制工程学院工程热物理专业硕士研究生,研究方向为能量转换与工质热物性. 燃料电池的应用和发展现状 杨润红,陈允轩,陈 庚,陈梅倩,李国岫 (北京交通大学,北京100044) 摘 要:能源和环境是全人类面临的重要课题,考虑可持续发展的要求,燃料电池技术正引起能源工作者的极大关注.主要在介绍燃料电池的工作原理、发展简史、分类及特性的基础上,详细分析和论述了燃料电池的应用和研发现状,并对其发展前景作了展望. 关 键 词:燃料电池;工作原理;特性;研发现状 中图分类号:TM911.4 文献标识码:A 文章编号:1673-1670(2006)02-0079-05 1839年,英国的William Grove 首次发现了水解过程逆反应的发电现象[1],燃料电池的概念从此开始.100多年后,英国人Francis T.Bacon 使燃料电池走出实验室,应用于人们的生产活动[2].20世纪60年代,燃料电池成功应用于航天飞行器并逐步发展到地面应用[3].今天,随着社会经济的飞速发展,随之而来的不仅是人类文明的进步,更有能源危机,生态恶化.寻求高效、清洁的替代能源成为摆在全人类面前的重要课题.继火力发电、原子能发电之后,燃料电池发电技术以其效率高、排放少、质量轻、无污染,燃料多样化等优点,正进一步引起世界各国的关注. 1 燃料电池的工作原理 人们常用的普通电池有碱性干电池、铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池等.燃料电池和普通电池相比,既有相似,又有很大的差异.它们有着相似的发电原理,在结构上都具有电解质,电极和正负极连接端子.二者的不同之处在于,燃料电池不是一个储存电能的装置,实际上是一种发电装置,它所需的化学燃料也不储存于电池内部,而是从外部供应.在燃料电池中,反应物燃料及氧化剂可以源源不断地供给电极,只要使电极在电解质中处于分隔状态,那么反应产物可同时连续不断地从电池排出,同时相应连续不断地输出电能和热能,这便利了燃料的补充,从而电池可以长时间甚至不间断地工作.人们之所以称它为燃料电池,只是由于在结构形式上与电池有某种类似:外特性像电池,随负荷的增加,它的输出电压下降[4]. 燃料电池实际上是一个化学反应器[5],它把燃料同氧化剂反应的化学能直接转化为电能.它没有传统发电装置上的原动机驱动发电装置,也没有直接的燃烧过程.燃料和氧化剂从外部不断输入,它就能不断地输出电能.它的反应物通常是氢和氧等燃料,它的副产品一般是无害的水和二氧化碳.燃料电池的工作不只靠电池本身,还需要燃料和氧化剂供应及反应产物排放等子系统与电池堆一起构成完整 的燃料电池系统.燃料电池可以使用多种燃料,包括氢气、碳、一氧化碳以及比较轻的碳氢化合物,氧化剂通常使用纯氧或空气.它的基本原理相当于电解反应的逆向反应,即水的合成反应.燃料及氧化剂在电池的阴极和阳极上借助催化剂的作用,电离成离子,由于离子能够通过二电极中间的电解质在电极间迁移,在阴电极、阳电极间形成电压.当电极同外部负载构成回路时,就可向外供电(发电).图1是燃料电池的工作原理图[6]. 2 燃料电池的发展简史、分类及各自特性 1839年,William Grove 提出了氢和氧反应可以发电的 原理,并发明了第一个燃料电池.他把封有铂电极的玻璃管浸入稀硫酸中,电解产生氢和氧,连接外部装置,氢和氧就发生电池反应,产生电流. 1896年,W.W.Jacques 提出了用煤作为燃料电池的燃 料,但由于无法解决环境污染的问题,没有取得满意的效果. 1897年,W.Nernst 用氧化钇和氧化锆的混合物作为电 解质,制作成了固体氧化物燃料电池. 1900年,E.Baur 研究小组发明了熔融碳酸盐型燃料 电池(MCFC ).此后,I.Taitelbaum 等人就此进行了一些拓展性的研究. 1902年,J.H.Reid 等人先后开始研究碱质型燃料电 池(AFC ). 1906年,F.Haber 等人用一个两面覆盖铂或金的玻璃 圆片作为电解质,与供气的管子相连,做出了固体聚合物燃料电池(SPFC )的雏形. 1952年,英国学者F.T.Bacon 在借鉴前人研究经验 的基础上研制出具有实用性的培根电池并获得专利.它的研制思路是避免采用贵金属并设法获得尽可能高的输出功率.采用双层孔径烧结镍做电极,氢氧化钾水溶液做电解质,以纯氢和纯氧为燃料及氧化剂.副产物是纯水.培根电 第21卷第2期2006年4月 平顶山学院学报Journal of Pingdingshan University Vol.21No.2 Apr.2006
氢燃料电池控制策略
目录 30KW车用氢燃料电池控制策略 ............................ 错误!未定义书签。目录 (2) 1控制策略的依据 (4) 230KW车用氢燃料电池控制策略 (5) 2.1P&ID (6) 2.2模块技术规范 (7) 2.3用户接口 ................................................... 错误!未定义书签。 2.4系统量定义 (9) 2.5电堆电芯(CELL)电压轮询检测策略 (11) 2.5.1Cell巡检通道断线诊断处理 .................. 错误!未定义书签。 2.5.2Cell巡检通道断线诊断结果处理........... 错误!未定义书签。 2.6Cell电压测算............................................. 错误!未定义书签。 2.7电堆健康度SOH评估............................... 错误!未定义书签。 2.7.1特性曲线电阻段对健康度的评估方法.. 错误!未定义书签。 2.8ALARM和FAULT判定规则 (11) 2.9工作模式（CRM和CDR）策略 (12) 2.10电堆冷却液出口温度设定值策略 (12) 2.11空气流量需求量计算 (12) 2.12阳极氢气循环回路控制策略 .................... 错误!未定义书签。
2.13阴极空气传输回路控制策略 (15) 2.14冷却液传输回路控制策略 ........................ 错误!未定义书签。 2.15阳极吹扫（Purge）过程 (18) 2.16防冻（Freeze）处理过程 (18) 2.17泄漏检查（LeakCheck）机理 (19) 2.17.1在CtrStat17下的LeakCheck (19) 2.17.2CtrState2下的泄漏检查 (19) 2.18注水入泵（Prime）过程 (20) 2.19状态及迁移 (20) 2.19.1状态定义 (20) 2.19.2状态迁移图 (21) 2.19.3状态功能 (22) 2.19.4迁移条件 ................................................ 错误!未定义书签。 2.20CAN通讯协议。........................................ 错误!未定义书签。3未确定事项 ..................................................... 错误!未定义书签。
S WB 6 12 9 F C 燃料电池电动客车总体设计 沈海燕，蒋季伟 （上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海 200438） 摘要：简要介绍 SWB6129FC 燃料电池电动客车的造型、技术参数、整车配置等设计方案，提出燃料电池客车在电安全和氢安全方面的控制策略。 关键词：燃料电池；电动客车；动力系统；设计；策略 中图分类号：U469.72；U462.2 文献标志码：B 文章编号：1006- 3331（2011）02- 0033- 03 近几年，各国政府和汽车产业纷纷将发展重点转向新能源汽车。2010 年上海举办的世博会，就采用了低噪声、零排放的新能源汽车，一方面体现“城市让生活更美好”的主题，另一方面展示我国新能源汽车方面的成果。全球环境基金（GEF）和联合国开发计划署（UNDP）在中国采购燃料电池公共汽车，用于世博园内以及世博会后在嘉定指定区域内使用，上海汽车商用车技术中心承担整车的设计及产品试制工作。SWB6129FC 燃料电池电动客车正是在这种背景下研发的。 1设计原则 1）“安全”原则：整车采用强电及氢燃料，以乘客及使用维修人员的安全为设计最高原则。 2）“精品、高质”原则：优先采用成熟技术、成熟产品及高品质配件，确保整车的可靠性，并对各系统总成进行优化匹配，使整车性能先进、质量可靠。同时运用工业设计理念，确保各零部件外形美观、布置协调。 3）“人性化”原则：充分考虑操纵轻便性，维修方便性，使用过程简单化，工作环境舒适化。 4）“联合开发”原则：设计、生产过程中结合上汽集团内部和外部优质设计资源，充分调动和运用供应商的资源，进行联合开发。 5）“标准化、系列化、通用化”原则：大力采用国际、国家标准和行业标准，设计中优先采用上汽集团内现有车型的平台与零部件，提高研发和试制及生产效率，降低成本。 2 主要技术方案 2.1 主要技术参数 长×宽×高 /mm 11 990×2 550×3 450 轴距 / 前悬 / 后悬 /mm 5 940/2 670/3 390 整车整备质量 / 最大总质量 /kg 14 200/18 000 乘员座位数 / 最大乘员数 / 人 29+1+1/67 最高车速 /km/h ≥70 接近角 / 离去角 /° 7/ 7 一次加氢续驶里程 /km 220 2.2 整车造型 该车造型完全由我公司自主设计，外观造型突破目前传统的平滑、缺乏变化的现状，而以变化的棱线为主基调。前围型体更加立体、饱满，体现时代感和进取精神。后围更多地使用切面来表现形体，线条和特征更加硬朗，张显个性。整车外观新颖、美观、棱角分明，给人带来强烈的视觉冲击。整车的外观如图1所示。
燃料电池发展现状与应用前景 摘要: 介绍了各种类型燃料电池( 碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池及质子交换膜燃料电池) 的技术进展、电池性能及其特点。其中着重介绍了当今国际上应用较广泛、技术较为成熟的磷酸燃料电池和质子交换膜燃料电池。对燃料电池的应用前景进行探讨, 并对我国的燃料电池研究提出了一些建议。 关键词: 燃料电池; 磷酸燃料电池; 质子交换膜燃料电池 燃料电池有多种类型, 按使用的电解质不同来分类, 主要有碱性燃料电池(AFC) 、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 、固体氧化物燃料电池( SOFC) 、磷酸燃料电池( PAFC) 及质子交换膜燃料电池( PEMFC) 等。 1 各种燃料电池发展状况 1. 1 碱性燃料电池(AFC) 20 世纪50 年代起美国就开始对碱性燃料电池进行研究, 并在60 年代中期成功地用于Apollo 登月飞行。AFC 的优点在于除贵金属外, 银、镍以及一些金属氧化物都可以作电极催化剂, 它的阴极性能也比酸性体系要好, 而且电池的结构材料也较便宜。缺点在于对CO2 和N2 十分敏感, 故不适用于地面。在国外, 将AFC 用于潜艇及汽车的尝试已不再继续, 目前AFC 主要用作短期飞船和航天飞机的电源。 中科院长春应用化学研究所1958 年就开始研究培根型燃料电池。60 年代初开展碱性石棉膜型燃料电池的研究, 1968 年承担航天用碱性石棉膜型燃料电池的研制。中科院大连化学物理研究所在60 年代初也开始研究碱性石棉膜型燃料电池。70年代初承担了航天用碱性石棉膜型燃料电池的研制, 研制成两种类型的电池。80 年代初, 研制了潜艇用20kW的大功率碱性石棉模型燃料电池样机。 1. 2 熔融碳酸盐燃料电池( MCFC) MCFC 的电解质由Li2CO3 和K2CO3 组成, 工作温度在650 e 左右, 阴极、阳极电化学反应快, 无需贵金属催化剂。由于在较高温度工作, 可以对天然气、煤炭气化燃料进行内部重整, 直接加以利用。不需要复杂昂贵的外重整设备。另外, 燃料转换效率高, 余热利用效率也较高。但MCFC 在高温下长期工作时电解质损失造成的电池失效、隔板腐蚀对电池寿命的影响, 以及镍电极缓慢溶解所造成的性能下降都是有待解决的课题。 由美国能源研究公司(ERC) 建造, 使用内部重整的2MWMCFC 装置已经安装在加利福尼亚并入电网运行了720h, 供电1710MWh, 1997 年3 月停运,为建造和运行这类电站提供了宝贵经验。日本熔融碳酸盐研究协会在日本月光计划和新日光计划的支持下, 一个1000kW系统正在组装以评价此技术。 长春应用化学研究所于90 年代初开始研究MCFC, 在LiAlO2 微粉的制备方法和利用金属间化合物作MCFC 的阳极材料等方面取得了很大的进展。大连化学物理所从1993 年起在中科院资助下开始研制, 自制LiAlO2 微粉制造的MCFC 单体电池性能已达国际80 年代初的水平。 1. 3 固体氧化物燃料电池( SOFC) SOFC 工作温度高达1000 e , 反应速度快, 不需要贵重金属做催化剂, 不存在电解质腐蚀金属问题。碳氢化合物燃料可自动在燃料电池内部重整, 并迅速地在电极上被氧化, 燃料中杂质对电池的性能、寿命影响均很小。其燃料转换效率高, 高温余热可很好利用, 从而提高燃料的总利用效率。SOFC 可以与燃气轮机相结合, 即用燃料电池的动力代替燃气轮机的燃烧段, 总效率可望达到60%~ 70% 。SOFC 的主要问题是固体氧化物电解质所用的陶瓷材料脆性大, 目前仍很难制造出大面积的固体电解质膜, 这严重制约了建造大功率SOFC。另外, SOFC 还存在诸如电流密度小、电压降高、制造工艺复杂、成膜设备昂贵等问题。
山东科技大学学士学位论文 摘要 燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，是一种高效的绿色能源，具有功率密度大、高效洁净、运行稳定可靠等优点，日益受到人们的青睐，成为最有前景的能源技术之一。 但燃料电池本机输出电压一般不高，输出的直流电压随着负载的变化有很大的变动范围，因此在燃料电池发电系统中，具有升压稳压功能的功率变换是其重要组成部分。燃料电池输出的电压必须经过具有升压稳压功能的功率变换装置，将不稳定的直流电变换成符合要求的直流或交流电。 本文主要研究了燃料电池发电系统中的直流变换器。首先，本论文介绍了燃料电池的原理、特点和选题意义，并对质子交换膜燃料电池的输出特性做了分析。其次，列举并比较了常见的DC/DC变换器的拓扑结构和性能，借鉴国内外在燃料电池系统中直流变换器上的研究和创新成果，根据燃料电池的输出特性及电动汽车的特点，选用Boost 型电路结构作为直流变换电路。再次，本课题的设计目标：将 5 KW质子交换膜燃料电池组85的输出电压，转换成375V左右的电压，为5KW轻型车辆提供主~ 120 V 动力。根据对Boost电路原理的分析，推导并设置电路主要元件的参数，利用Multisim、Matlab/Simulink软件进行建模和仿真，观察并分析输出电压、纹波电压、开关管电压和电流等波形，分析该方案的可行性和不足之处。 关键词: 燃料电池 DC/DC变换器 Boost电路 Multisim Matlab/Simulink
燃料电池发电系统前端DC/DC变换器的研究 ABSTRACT Fuel cell is a device which can transform chemical energy directly into electric energy. It is a green energy of high efficiency .which has various advantages such as high efficiency of power generation and density, environment friendly, stability and reliable operation, so it is regarded seriously by more and more people,becoming one of the most promising energy technology. However, the output voltage of the FC is not always very high and varies largely as the load changes.Therefore, power converter is essential in the Fuel cell generation system.which can boost the voltage of the FC and stabilize the voltage of the output of the power converter, in order to get required DC or AC. This paper mainly studies the DC/DC converter of the fuel cell generation system..This paper first introduces the background of selection of this subject, analyses the working theory and the output performance of PEMFC.Then, the paper introduces different innovation in DC/DC converters used in fuel cell system .What is followed is the key part, according to the characteristics of the electric vehicle and fuel cell system, boost circuit is chosed to topologies of DC/DC converter. Meanwhile, the paper presents the development and accomplish the conversion,and given analysis of the working principle of the circuit .The goal of the design is to boost the output voltage of 5KW PEMFC system varing between 85~120 V, to about 375V so that it can be inverted to 220V AC to supply for the light vehicle.With theoretical studying the design,criterions of key circuit parameters are gained,finally the author simulates the boost circuit for fuel cell with the software Multisim and Matlab/Simulink, in the end analyses the output waves,the advantages and disadvantages of this design. Key words:fuel cell DC/DC converter Boost circuit Multisim Matlab/Simulink
质子交换膜燃料电池控制器的设计 质子交换膜燃料电池控制器的设计 摘要：介绍了基于嵌入式PIC16F876A-I/SP芯片的质子交换膜燃料电池控制器的软硬件的设计，该控制器很好地改善了燃料电池的输出性能。实验结果表明，设计的质子交换膜燃料电池控制器不仅具有保护反应堆和蓄电池等功能，并可以在多变的环境下保持燃料电池的高度可靠性和稳定性。其性能基本达到预期指标。关键词：燃料电池；主控芯片；控制器质子交换膜燃料电池系统是一种功率调节设备，已广泛应用于电脑、医疗/生命维持系统、电信、工业控制等领域。它的主要功能是持续以高质量的功率供给负载。一个高性能燃料电池系统应该有一个线性和非线性负载的较低总谐波失真、效率高、可靠性好、突发电网故障和负载改变时的快速瞬态响应的净输出电压[1]。伴随着个人电脑和互联网的普及，低容量燃料电池产品将在工业领域和国内市场进一步增长。由于国际市场的高度竞争，许多先进的技术，例如更高的功率密度、更高的效率、智能化控制被应用在质子交换膜燃料电池系统中。1质子交换膜燃料电池的工作原理质子交换膜燃料电池由一个负充电电极(阳极)、一个正充电电极(阴极)和一个电介质膜组成[2]。氢气在阳极氧化，氧气在阴极还原。质子通过电解质膜从阳极传送至阴极，电子经外部电路负载传送。在阴极上，氧气与质子和电子发生反应，产生水和热。原理图，电极上的各化学反应如下：
2燃料电池控制器的硬件设计硬件的设计首先必须满足系统的要求才能实现有效的控制。由于燃料电池控制系统的组成比较复杂，采用单一的控制单元实现所有的功能存在连线复杂、控制单元负载率过高等缺点。因而可以根据实现功能和安装位置的不同进行功能模块划分，实现分布式控制。燃料电池控制器主要由以下几个部分组成[4]：燃料电池系统的主控制单元、燃料电池堆的电压检测单元、监控模块单元和显示模块。燃料电池控制器结构框图。 主控制单元作为控制系统的核心，其主要功能是：接收其他功能模块的数据，对发电系统的工作状态做出判断，根据当前发电系统的工作参数控制其工作在最佳状态。2.1主控芯片本次燃料电池控制系统采取PIC16F876A-I/SP作为主控芯片[5]，该芯片采用的是哈佛结构，其工作频率可达20MHz，片内具有8KB快速Flash程序存储器、368B数据存储器、256B EEPROM数据存储器。其内部包含2个模拟比较器，3个计时器，5输入通道的10位模数转换器。指令系统只有35个指令，通过外扩DAC芯片可以输出模拟电压或电流，进而实现对鼓风机和水泵的转速控制。2.2A/D采集模块在燃料电池发电系统中，温度、压力、电压、电流等被检测的对象都是连续变化的量，通过温度传感器、压力传感器、电压传感器、电流传感器将它们转换为连续变化的电压或电流。模数转换器ADC的作用就是将这些模拟电压或电流转换成计算机能识别的数字量。2.3保护与抗干扰电路故障检测由主控芯片和比较电路来完成。监测到故障后，由主控芯片发出信息给蜂鸣器报警，同时切断DC-DC模