燃料电池发电系统应用分析.doc

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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

Withtheincreaseofenergydemand,cleanthedistributedpowerbecomesmoreandmoreimportant.Fuelcellsasakindofenvironmentalprotection,friendlyinterfaceofrenewableenergyandidealofthedistributedpower,canbewidelytenindustries,andeye_isaveryidealdistributedpowersupply.Comparedwiththetraditionalenergy,fuelcellpowertechnologyhasthepolitical,economicandenvironmentaladvantages.Fuelcellsystemclean,quiet,efficiency,andthecharacteristicsoftheevent,makethemsuitablefor10remoteareasandthepoweroftheweakinfrastructureindevelopingcountries.Fuelcelltechnologyafternearlyhalfacenturyofresearchanddevelopment,tothedevelopedcountriesofthepolicyofthegovernmentsupport,fuelcelltechnologyhasdevelopedrapidly,sometypesoffuelcellshaveenteredintocommercialapplicationandmilitaryapplicationstage._fuelcellasthedistributedpowerapplicationandforcescommunicationequipmentisveryidealpowerapplication,thisforfuelcellpowergenerationsysteminChinaandthedevelopmentofthearmyshowedthebroadprospect.

Thisarticlethroughtothebasicknowledgeofthefuelcell,theauthorintroducestheworkingprincipleofthefuelcellsandthetypesandcharacteristics.Thedevelopmenthistoryoffuelcells,andfuelcellresearchanddevelopmentandcommercializationapplicationstatusanddevelopmenttrendofclear,andalsoourtroopstothecommunicationpowersupplyandthestatusofprotonexchangemembranefuelcelltechnologyincommunicationpowersupply1inthefieldofapplicationadvantagesandprospectofcomprehensiveanalysis,itraisesthefieldofprotonexchangemembranefuelcellneedstosolvethekeytechnology.

Inthispaper,putforwardafuelcellmonomerdynamicelectricalchemicalmodel,withtenperformance,simulationandevaluationsmallfuelcellpowergenerationsystemsespeciallyprotonexchangemembranefuelcellstackofvariousperformance,theresultsofthesimulationshowthefuelcell,theoutputvoltageofefficiencyandpowerandloadcurrentrelationsandthegoodloaddynamicresponseability,thepaperputforwardapracticalapplicationofpeakpower.Accordingtothefuelcellpowergenerationsystems,forcestheuserloadandpowersupplyfacilitiesissetforinteractionbetweenthedegree,thispaperputsforwardfuelcellpowergenerationsystemapplicationforcesoffouroperatingmode.Andordersfortheoperationmodeofthedifferent__,andputsforwardtheapplicationoftroopscouldplaceandthecorrespondinginterfaceform,controlprinciple.

Thispaperaccordingtocommunicationunitofthestationsentaconcentratedloadtypesandcharacteristicsofthefuelcellandtheoutputvoltageacurrentpolarizationcharacteristicbringstheno-loadandfullloadvoltagedifference,andputforwardtheapplicationmoduletypeoffuelcellinterfacescheme,throughthesimulation,optimizationanalysistodropthevoltagecontroltechnologyforcontrolofthemeansofmultileveldccatch'makingmachinesinterfacescheme,whichcaneffectivelysolvetheletterintheprocessofinvestmentinmachineloadcurrentchangefuelcellelectricpowergenerationsysteminterfacedeviceandreducingloadoperationproblem,bringaboutsuchasmodularoperationandenhancepowerreliabilityetc,andimprovetheutilizationrateofmodularfuelcellsystems.

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

Keyword:

protonexchangemembranefuelcell,powergenerationsystem,militaryapplications,modelsimulation,powerinterface

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0.2–20MW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。

50-100MW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