英语原文共 25 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
燃料电池动力系统和应用
By J ih -S heng L i , Fellow IEEE, and MichaeL W. eLLiS
摘要:燃料电池动力系统把高效率、广泛的尺寸范围、模块化和兼容性与热电联产等优点独特地联合了起来。从完整的能源系统的发展中，我们认识到去了解燃料电池技术的优势需要一个对燃料电池系统组件的基本了解，就如同去探究有不同用处的电力电子器件。本论文解释了燃料电池系统的基本特性，描述了各种不同类型的燃料电池及其目前的发展状况，并讨论了这些系统运输和存储能量的潜在应用。本文着重强调燃料电池的电力特性，它是一个相对活性较弱的能源。要使燃料电池的电力输出与大多数的载荷相容，电力电子系统是必须的。本文给出了dc-dc和dc-ac功率转换电路的说明并讨论每个电路用于系统
规划的各自的特点。一个燃料电池和单相交流逆变负载之间的相互作用被重点提到，因为这个特定组合的广泛适用性。
关键词：双行频率纹波; 燃料电池; 燃料电池的应用; 燃料电池功率转换; 电力电子
一.导言
燃料电池系统在电化学作用下氧化燃料源，它可能由氢气或简单的碳氢化合物组成，以便生产电力。燃料电池系统可以提供高电效率横跨广泛的尺寸和部分负荷条件。因为它们可以实现小尺寸，燃料电池系统可以放置在靠近电气负载的地方，从而实现散热，使热能能作为待使用反应的副产物为热电联产应用提供能量，使联合的效率更高。此外，典型的燃料电池系统排放的空气污染物极其低，由于效率的提高而减少了二氧化碳的排放。燃料电池系统静静地运行，与太阳能和风力相反，燃料电池系统是可调度的分布式发电技术。虽然，已经做了大量的改进，
系统的成本和耐久性仍然是把燃料电池技术带向市场的主要挑战。
将燃料电池技术推向市场的主要挑战。在交通运输应用中，氢是这种情况
首选燃料，燃料电池系统面临着额外的挑战：分配和储存氢气。目前，研究和
发展继续解决这些挑战[1]，并且在近期，三大主要汽车制造商燃料电池电动车的亮相暗示着汽车工业对燃料电池兴趣的增长。这种对燃料电池的兴趣被大大地激发，通过扩大的驾驶模式和相对于电池电动车更短的加油时间。
此外，燃料电池系统与其他能源储存或聚集设备如电池和光伏（PV）细胞的意义在于它们通常可以被描述为一个具有内部阻抗的电压源。然而，与电池相反的是，燃料电池可以产生持续的电力只要燃料和氧化剂被供应。此外，电池内部阻抗是被动的，燃料电池的内部阻抗是一个可控制变量，它是关于工作条件的函数包括反应物浓度、温度、湿度水平。相比之下，虽然光伏电池是一个像燃料电池这样发电的设备，它本质上是一个无源器件，其输出主要受太阳辐射的控制。
而不是工厂运行的调控。因此，燃料电池是一个可控制的能源，可以在需要时产生电力，只要有燃料，能使其成为一个在便携式电源、交通运输、不间断电源
系统（UPS）和分布式发电等应用方面的可信任候选者。
正确应用燃料电池需要对于燃料电池系统的组成、稳定性、动态行为以及它们和载荷之间的相互联系有一个基本的了解。此外，燃料电池具有监管要求，包括与其他能源生产和储存相比唯一的接地要求。燃料电池系统电力电子电路的设计和控制必须能使燃料电池系统整体运作，在遵守与特定应用相关联的独特的电力需求的情况下。
本文的目的是提供燃料电池系统的概述，包括燃料电池操作的基本原理、不同类型的燃料电池、基本的燃料电池系统架构、详细的电气特性和与燃料电池相关联电力电子特性。应用的主题也在运输和固定应用两个方面展开
A.燃料电池系统
如图1所示，燃料电池系统包含至少有六个子系统，包括空气供应系统，燃料供应系统，热管理系统，水管理系统，电力管理系统以及燃料电池堆。供气系统过滤空气并且可以加压，预热和加湿空气根据特定应用的需要。燃料供应系统的性质取决于应用。便携式电源通常使用简单燃料（氢气或甲醇）老化罐，因此燃料供应系统可以简单地控制燃料往燃料电池组的流向。相反，对于固定的燃料，可能是碳氢化合物（天然气，柴油，沼气等），因此可能需要在它这供应到燃料电池反应堆之前转换为氢气。这个连接版本过程通常以去除硫的过程开始，接着是使用催化的重整步骤，在高温下反应以将烃转化为氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合物。在低温的情况下，燃料电池这种初始重整步骤之后是减少碳氧化物浓度至非常低的水平（lt;50ppm）的附加步骤。在较高温度的燃料电池中（gt; 500°C），不需要去除一氧化碳，事实上，这个堆栈也许能够适应这种改变或直接使堆内的无硫燃料氧化。
燃料电池堆内燃料的氧化产生由水和二氧化碳组成的气体（如果主燃烧室燃料是一种碳氢化合物）。硫氧化物的排放量非常低，因为硫在燃料电池的上游被去除，并且排放的氮气是非常低的，因为燃料和燃料电池之间的反应在1000℃的温度下在催化剂上发生。此外，虽然燃料电池在重整的水力发电站上运行，碳会产生二氧化碳，排放量低于其他效率较低的能量转换技术。
燃料电池组包括串联连接的燃料电池，每个燃料电池都供应燃料和空气，并直接产生小于1伏特的电流。堆栈电压从几伏到几百伏取决于串联在堆内燃料电池原件的数量。随着电流的增加，叠层电压逐渐降低直到电流达到由堆栈内传输质量限制所确定的极限值。电源管理系统需要将堆电压匹配到负载，防止瞬态的电力需求，它可能会毁掉反应堆，并控制系统输出电压以满足应用的需求。虽然燃料电池系统相对于传统发动机比较高效，当离开反应堆，在废气中、低温电池、电池组冷却液中，大约一半的化学能能够转化为热能。热管理系统使用这种热敏电阻，在燃料电池系统内预热燃料和空气，或向外部供应热能用于热电联产应用。最后，根据系统特点，水管理系统可以使用水对空气和燃料进行加湿或重整燃料，并可能从外部来源获得水或从堆排气中回收。与这六个系统相关的要求是通过实际的应用和燃料电池技术的选择确定的。
二.燃料电池技术
构成堆叠的燃料电池可以根据实际应用的性质和想要的燃料来源利用几个不同的燃料转化为电力的技术。燃料电池的基本组成如图2所示，包括一个阳极，其中燃料是氧气;氧被还原的阴极;集热板，它们将电极连接到外部负载，作为输送产品和反应物的流动通道;以及在电极之间传输离子的电解质。燃料电池技术可以通过电解质、燃料来源、工作温度或应用分类，但是工作温度也许是最重要的区分点因为它会影响所有其他特性。
A.低温燃料电池
在200°C以下运行的燃料电池通常呈现高电平、功率密度高、启动迅速、相对简单的装配工艺和材料（不包括催化剂），更简单的设备组件平衡以及高效率的电气连接。这些特征与汽车动力系统的标准需求一致，并且使低温燃料电池，尤其是聚合物电解质膜（PEM）燃料电池成为广大市场应用的目标技术。另一方面，低温运行意味着催化剂通常是昂贵的铂族金属（PGM）和那些燃料选项基本上是有限的氢和甲醇。此外，低温操作排除了堆栈废热的使用因为大多数燃料加工操作可能使得热电联产应用程序更难实施。在汽车的
应用上，用于驾驶室舒适性的热量不需要太高的温度，因此，车载改装不是一个实际的选择，因此低温运行并不存在重大缺陷，相反，广泛部署最大的障碍是低温燃料电池所用的催化剂PGM的高成本、组件耐久性不足，并缺乏氢燃料基础设施。努力减少或消除对昂贵的PGM催化剂的依赖，研究人员正在探索各种各样的
PEM系统的催化剂，同时发展阴离子交换膜（AEM）燃料电池，它的氧还原反应（ORR）发生在更有利的碱性环境中。除交通工具外，其他低温燃料电池的应用包括小规模热电联产应用，利用燃料电池系统在“低温”范围的上限（即高温PEM或HT-PEM）提供电力，并为建筑物加热，便携式电子产品甲醇燃料电池（DMFC）显示出前景。
1）聚合物电解质膜（PEM）燃料电池：PEM燃料电池（PEMFC）使用薄膜制造
从作为电解质的酸性离子传导聚合物（离聚物）中将H 离子从阳极传导到阴极。
典型的膜材料由聚合物背衬材料组成，类似于聚四氟乙烯（PTFE）的骨架由全氟磺酸终止的侧链侧链（PFSA）基团组成，当聚合物水合时，穿过材料的离子运输途径[3]。其他离聚物已被开发为潜在的替代品，基准PFSA材料来提高耐用性，成本也随之提高，这些包括改性的含氟聚合物和非氟化的基于聚（亚芳基醚）和聚酰亚胺的酸性离聚物[4]。典型的低温离聚物可以在模拟温度下操作，温度高达约100°C，但必须保持良好状态，水合以实现足够的导电性。因此，性质的电解质建立燃料电池系统温度限制，并要求工厂的余额包括条款用于加湿入口燃料和空气流。整个PEM电池结构与图中所示相似，在图2中，PEM电极由两个组成
不同的结构组成：相邻的催化剂层（CL）分到膜并提供电化学反应位点和气体扩散介质（DM），提供之间的多孔导电路径CL和收集板。在低温和酸性环境中，催化剂层具有更重要的意义，要求PGM催化剂实现足够的电化学活动[5]。该催化剂通常以合成方式合成纳米尺寸的PGM，颗粒装饰到碳上颗粒（d〜100nm）以产生碳支撑的碳载体，催化剂与离聚物一起分散在溶剂中并流延到电解质膜上（或在DM的表面上）形成多孔结构与混合的电气和离子通道将PGM催化剂位点连接到电解质上。来自流动槽的反应气体，收集器中的尼尔斯穿过DM到达CL反应位点，并且在阴极处，反应产物（即水）通过DM扩散回去并与贫氧的空气被移除。
目前，成本和耐久性仍然是PEM燃料广泛采用的两个主要障碍 。细胞水平的关键发展领域包括阴极催化剂负载的减少、催化剂的可溶性以及水阴极管理的改善。 PGM催化剂计算对于大约20％的PEM燃料电池系统而言，大部分归因于阴极催化剂负载的成本，降低成本侧重于降低催化剂负荷 （目前为0.16 g-kW-1，目标为0.125 g-kW-1）或完全取消PGM催化剂用金属氮碳（MNC）催化剂等代替，它已经显示出ORR的活性[6] - [8]。催化剂也对耐久性提出挑战，随着时间的推移，较大的催化剂颗粒倾向于生长或粗化，代价是较小的颗粒导致损失，在活动区域的性能下降[9]。碳载体的腐蚀会导致这种粗化效应[10]。催化剂粗化和碳腐蚀都是据信由于由变化引起的电压循环而增强，负载条件和高压怠速运行条件[9]。催化剂寿命可以延长，通过使用改进的碳或非碳载体和通过更好的管理操作环境、电池（即温度，湿度，电压）[9] - [11]。功率管理系统可以为PEM燃料电池通过适当地控制施加到堆叠的负载来提高可读性，并在启动和关闭期间管理电池电压。除了催化剂降解，湿热循环之外，导致膜变薄和针孔形成时发生故障，膜不再是阳极和阴极之间有效的屏障 [12] - [13]。努力改善膜的耐久性包括开发更稳健的聚合物和复合材料的使用[4]。最后，关于水的控制，尤其是在阴极处，水可能会过于致密并阻止氧气向催化剂部位的输送，仍然是限制PEM燃料电池面积功率密度的挑战[14] - [16]。表1总结了该状态为PEMFC提供艺术表现和成本指标以及其他燃料电池技术的可比较指标。
2）阴离子交换膜（AEM）燃料电池：降低低温催化剂成本的一种方法：燃料电池将以碱性方式操作燃料电池电极，在线环境中，各种价格较低的催化剂（例如无机氧化物，Fe，Co，Ag等）能被使用[17]。碱性环境也允许使用用于收集板的较便宜的材料和可能更有利于某些酒精燃料的氧化[18]。20世纪60年代，美国在阿波罗号航天器上采用碱性燃料电池（AFCs）后来的航天飞机轨道器也采用了。在这些电池堆中，电解质是含有OH作为可动离子的液体KOH溶液，从阴极 到阳极[19]。液体电解质保留在多孔基质和两者之间的进一步约束多孔电极。今天，研究的重点是用阴离子交换膜替换液体电解质，因此提供具有OH-迁移率的聚合物电解质避免了与保留液体有关的困难。关于阴离子交换膜的材料，已经考虑了各种选项，通常是由阳离子基团（例如季铵）组成，直接或通过侧链连接到聚合物骨架上[如聚（亚芳基）醚]] [17]。阳离子基团形成导电通路穿过膜用于OH-离子。AEM燃料电池面临的挑战（与PEM相比燃料电池）来自于AEM相对较差的稳定性材料和导致的OH-离子的较低的迁移率到膜中更高的欧姆损耗。此外，
二氧化碳在阴极空气供应中的存在使得CO32-和HCO3-离子。在液体电解质碱这些离子与移动阳离子结合在一起（K 或Na ）形成固体沉淀物。对于AEMs来说，离子与聚合物骨架结合，从而排除聚合物骨架形成沉淀。但是，CO32-和HCO3-离子会积聚在膜中，特别是在膜上阳极，并降低电池性能[17]。通过删除二氧化碳从空气中或通过在阴极使用氧气，几种研究已经证明了AEM燃料电池的操作,在实用功率密度下使用无PGM催化剂[20]。但是，需要更多的研究和开发实现无PGEM AEM燃料电池的目标，使其接近PEM燃料电池。
3）高温PEM（HT-PEM）燃料电池：第一次大规模商用的燃料电池使用像现代PEM燃料电池一样传导电解质，但是代替聚合物，电解质是注入磷酸的碳化物基质。这些细胞在高达200°C的温度下运行并展出足够的耐久性（例如，一些系统超过40000小时的运营）将用于分布式发电和超过500台的热电联产应用全球安装[21]。不幸的是，这一代人磷酸燃料电池呈现出低功率密度，需要相对较高的PGM负荷（具有相应的PGM负荷），使其对运输不具吸引力应用程序并限制它们的广泛使用，应用程序。最近有技术开发用于注入高温聚合物如聚苯并咪唑（PBI）与磷酸反应生成H 导电高分子复合材料适用于在温度为150°C-200°C [22]。这些PBI /磷酸酸膜也很有吸引力，因为它们不会需要湿气进行操作，从而消除水分管理和湿度控制相关的问题,使用PFSA膜
全文共5810字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[12442]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
