氢能与燃料电池关键科学技术:挑战与前景

氢能是可持续的二次清洁能源, 产业链主要包括氢气的制取、储存、运输和应用等环节. 燃料电池是氢能利用的主要方式, 处于产业链的核心地位. 以氢能产业链为主线, 围绕氢能燃料电池产业化进展, 对制氢、储氢、加氢站、氢能燃料电池电堆及关键材料, 以及车用燃料电池系统关键部件的技术特征、产业化进展、发展现状及存在的挑战进行了概述, 尤其对中国燃料电池产业链的发展现状进行了重点介绍. 为了加速氢能与燃料电池真正意义上的产业化, 还提出了几点需要克服挑战的研发方向.     

微型燃料电池流场板研究进展

在环境污染日益严重的今天,作为清洁能源的燃料电池受到越来越多的关注.为了适应便携式设备的需求,燃料电池的微型化成为发展趋势.在微型燃料电池的诸多关键技术中,流场板结构及其加工成为主要困难之一.本文介绍了微型燃料电池的工作原理,探讨了包括流场板形状、微沟道尺寸和流场板开孔率等方面的流场板结构对微型燃料电池性能的影响,综述了基于MEMS技术的微流场板加工工艺.     

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的原理及应用

简述了质子交换膜燃料电池的工作原理;质子交换膜燃料电池是最具商业前景的电动汽车用绿色能源,在航天领域、潜艇、电动车、电站等领域具有广泛的应用前途.     

混合能源发电系统装置容量优化设计

本研究主旨在于提出一个混合能源发电系统装置容量优化机制,其主要运用于包含风力、太阳能以及燃料电池之混合发电系统,太阳能以及风力为其主要之发电能源,燃料电池在此当作系统紧急备用电源,此混合能源系统主要之用途为抑制超约附加费以及提供紧急用电.本研究所提出之混合能源发电系统架构将不局限于某几种特定能源,除了上述所提出之太阳能光电池发电系统、风力发电系统以及燃料电池之外,可根据不同设置场址之实际需求弹性加入各种再生能源以及传统能源.本研究提出混合能源发电系统装置容量优化机制主要根据各种不同之设置场址,结合容量因子以及成本回收之概念去设计其混合能源系统装置容量之黄金比例,亦通过实际案例数值仿真说明本系统之性能.     

基于联供系统的太阳能光热/光电利用试验研究

利用能源梯级应用的原理,将太阳能光电和燃料电池发电、太阳能光热和燃料电池余热回收利用相结合,构建太阳能耦合燃料电池的热电联供系统.搭建太阳能气象工作站、太阳能光电/质子交换膜燃料电池模拟器、低温太阳能集热器/空气源热泵热水系统试验平台,验证太阳能耦合燃料电池热电联供系统的可行性.试验结果表明:100 W太阳能光伏板平均充电电压值为11.73 V,平均充电功率为18.29 W,平均充电效率为14.22%,光伏板平均温度系数为0.076 3,PEM FC电能转化效率为22.06%.在低温太阳能集热器/空气源热泵热水系统中,储热水箱最低平均温度为44.24℃,管板集热器总平均热效率为35.43%,黑陶瓷集热器总平均热效率为40.21%.试验结果验证了太阳能耦合燃料电池热电联供系统的可行性,对有效解决我国能源紧缺、环境污染等问题具有重要的理论和工程应用价值.     

沈培康教授:燃料电池,期待无限

50年、200年是怎么的时间概念?人类历史的弹指挥手之间吧,可是,50年后,石油、天然气和铀紧缺,200年后,煤炭已经消匿。而这些地球赐予人类的能源瑰宝,这些促使世界经济大发展的化石燃料(或称初级能能源）除了始终面临着“消耗殆尽”的梦魇,还要背负着温室效应、酸雨、臭氧层破坏、疾病增加等环境污染的恶名,种种传统能源的窘况使得新型清洁能源的开发迫在眉睫。此时,被盛誉为“21世纪的能源之星”、“21世纪高科技之首”的燃料电池引起了我们前所未有的关注。实际上,燃料电池技术,自1839年发现以来,经过100多年的研究和实际应用,其技术上已积累了较多的经验。从实验室到航天能源,再到人们日常的生产、生活中,燃料电池肩负了促使能源走上可持续发展的重任,燃料电池的产业化也成了人们期待的大事。中山大学沈培康教授多年从事燃料电池的研发,成绩斐然,承担了多个国家级、省部级以及企业的重点项目,对燃料电池的应用开发贡献卓越,他就如何加快实现燃料电池产业化的问题提出了许多独到的看法与中肯的建议。     

燃料电池综合能源系统在大学校园的应用分析

燃料电池综合能源系统兼备清洁低碳、安全高效等优势,是未来能源系统的重要发展方向,而大学校园是重要的应用场景之一。本文选取全国五类典型气候区下的大学校园作为研究对象,对燃料电池综合能源系统在大学校园的适用性进行探讨。首先,采用“最大面积法”确定系统容量,并兼顾燃料电池的部分负荷特性和多样化运行方式,分别构建“热跟随”、“电跟随”及“热电综合”三种运行模式下的能量流模型;基于所提出的理论模型,结合不同典型气候区下各地的能源价格、政策补贴、碳排放系数等,从技术性、节能性、经济性、环境性等方面进行比较与分析,并讨论了燃料电池综合能源系统在各地大学校园的适用性。结果表明,燃料电池综合能源系统在各地大学校园应用下的最高系统率可达到77.6%,最大年相对节能率为38.7%,最大二氧化碳减排率为57.1%,最小投资回收期为13.73年;“热电综合”运行模式在多数地区对系统经济性的提升较为显著;结合国内相关技术标准来看,当前燃料电池综合能源系统更适宜在北京地区的大学校园投入使用。     

质子交换膜燃料电池的研究与应用

在能源和环境危机的今天,质子交换膜燃料电池由于其特点和优势有着更多的发展前景。文章在介绍质子交换膜燃料电池在各领域应用和发展现状的同时,也从电池材料和制造技术、成本、氢能源等几个方面进行了分析,阐述了质子交换膜燃料电池发展中面临和要解决的一系列问题。     

燃料电池/蓄电池双能源电动汽车动力系统仿真

采用燃料电池/蓄电池作为电动汽车动力系统的开发与研究是国外电动汽车动力系统研究的新方向.结合对电动汽车动力系统研究进行的一些探讨,对燃料电池/蓄电池双能源电动汽车动力系统进行了建模.并采用与focus汽车同样的底盘和车身,用30 kW质子交换膜燃料电池为主动力源,以铅酸蓄电池为辅助动力源.在Advisor平台上实现了对该虚拟样车的仿真,而且以欧洲NEDC循环工况进行了仿真实验,结果表明该虚拟样车完全满足设计和性能要求.     

金属基氧电极材料催化机理研究进展

燃料电池作为一种高效、无污染的能源转换器件,受到广泛关注.其阴极氧还原反应是决定电池性能最重要、最关键的因素之一,也是制约其商业化的关键瓶颈因素之一.因此,研究和开发高效氧还原催化剂及其催化机理,对于燃料电池的发展和商业化进程具有十分重要的意义.在简要介绍燃料电池的基础上,综述了近年来金属基氧还原电极材料催化氧还原反应的机理,金属基氧还原电极材料包括Pt催化剂、Pt-M催化剂、杂原子掺杂碳载金属类催化剂等,总结了提高催化活性和稳定性、降低催化剂制备成本和催化剂制备工艺等方面所取得的研究结果,并指出了各类催化剂目前尚待解决的问题和发展方向.     

绿色能源的现状及展望

：综述了国内外绿色能源的现状，如燃料电池、太阳能、风能、生物质能、自然冷能、水能等，并针对我国的实际情况对各种绿色能源的优劣及发展前景作了展望。     

电动车电池研究进展

采用电动车代替汽车可以彻底根除汽车尾气的污染,开发电动车的核心问题是电池。比较实用的电动车电池有:镍 -金属氢化物 (Ni-MH)蓄电池、金属燃料电池、氢 -氧燃料电池和直接甲醇燃料电池。介绍了这些电池的结构、原理,以及近年来的研究进展和今后的改     

燃料电池汽车开发及产业化的关键技术研究

燃料电池电动汽车技术是当今世界上正在进行研究的一项高新技术,文章介绍了燃料电池电动汽车的动力系统和燃料电池系统的基本结构和工作原理。从燃料电池电动汽车的车身和底盘设计、燃料电池系统、驱动电机系统、电控系统以及系统优化等方面,分析了燃料电池电动汽车开发及产业化需要解决的关键技术,同时提出了相应的技术路线和对策。     

2019年氢燃料电池研发热点回眸

 从政府政策环境、企业行动、示范运行等方面回顾了2019年氢燃料电池汽车的热点;阐述了氢燃料电池催化剂、膜、膜电极、双极板、电堆的关键技术、研究成果及产品工程开发进展;提出了中国氢燃料电池发展建议。     

The use of metal hydrides in fuel cell applications

This paper reviews state-of-the-art developments in hydrogen energy systems which integrate fuel cells with metal hydride-based hydrogen storage. The 187 reference papers included in this review provide an overview of all major publications in the field, as well as recent work by several of the authors of the review. The review contains four parts. The first part gives an overview of the existing types of fuel cells and outlines the potential of using metal hydride stores as a source of hydrogen fuel. The second part of the review considers the suitability and optimisation of different metal hydrides based on their energy efficient thermal integration with fuel cells.The performances of metal hydrides are considered from the viewpoint of the reversible heat driven interaction of the metal hydrides with gaseous H_2. Efficiencies of hydrogen and heat exchange in hydrogen stores to control H_2 charge/discharge flow rates are the focus of the third section of the review and are considered together with metal hydride – fuel cell system integration issues and the corresponding engineering solutions. Finally, the last section of the review describes specific hydrogen-fuelled systems presented in the available reference data.     

燃料电池汽车的氢耗分析模型与应用

为便于定量分析燃料电池汽车的氢耗影响因素和整车氢耗潜力,文中基于燃料电池汽车行驶时内部的能量流动关系,首先定义平均综合传动效率并提出理论氢耗计算分析模型.通过对氢耗的多种影响因素进行分析,进一步得到理论氢耗增量模型.最后基于advi-sor自带的燃料电池汽车模型,通过理论和仿真分析量化了滚动阻力系数、传动系机械效率、电机效率、燃料电池效率对整车经济性的影响.此外,基于各影响因素未来可能达到的极限状态,通过仿真得氢耗潜力为0.6 kg/100 km.不同因素的量化分析和氢耗潜力的确定不仅对燃料电池汽车动力系统前期研发有重要指导意义,而且在实车开发期间可为部件选择和参数标定提供优化方向.     

用改进的多区模型计算柴油机中的燃烧和排放

在广安博之直喷式柴油机多区燃烧模型的基础上,改进了燃油雾滴的运动和蒸发模型,以及碳烟的生成与氧化模型,增加了缸内挤流和涡流模型、油滴碰壁和反弹模型,计算结果表明,改进后的油束运动模型比原模型更加合理,较好地解决了空气卷吸问题,在不同转速和负菏工况下均能获得令人满意的精度,能够反映缸内与各区内的燃烧与排放物生成情况,用改进的多区模型可以较好地研究直喷式柴油机的工作过程及其排放。     

Advanced ECU Software Development Method for Fuel Cell Systems

The electronic control unit （ECU） in electrical powered hybrid and fuel cell vehicles is exceedingly complex. Rapid prototyping control is used to reduce development time and eliminate errors during software development. This paper describes a high-efficiency development method and a flexible tool chain suitable for various applications in automotive engineering. The control algorithm can be deployed directly from a Matlab/Simulink/Stateflow environment into the ECU hardware together with an OSEK real-time operating system （RTOS）. The system has been successfully used to develop a 20-kW fuel cell system ECU based on a Motorola PowerPC 555 （MPC555） microcontroller. The total software development time is greatly reduced and the code quality and reliability are greatly enhanced.     

无人机燃料电池混合动力系统人工神经网络控制策略

目前,全球有200多项在研电推进飞机项目,包含传统固定翼飞机改造、新构型设计、全电推进系统和混合电推进等。近年来,电推进飞机的发展方向可分为纯电动固定翼、电动垂直起降和混合电推进3类。本文针对某小型无人机燃料电池和锂电池组成的混合动力系统,建立了由质子交换膜燃料电池混合动力系统、6自由度飞行器模型和基于神经网络控制器组成的整个系统仿真模型。为了满足无人机不同飞行阶段的电力需求,控制器控制电池电流和充放电速率。在燃料电池作为无人机主要动力源的情况下,对混合动力系统的性能进行验证和评估。对人工神经网络控制器和模糊逻辑控制器性能进行了比较,结果表明,人工神经网络控制器的性能明显提高,增强了无人机混合动力系统的整体稳定性。人工神经网络控制器在效率和油耗方面比模糊逻辑控制器略有提高,约为1%。这说明在这类系统中,所设计的神经网络控制器比经典控制器具有更强的鲁棒性,更好的响应能力、可靠性,可满足无人机燃料电池混合动力系统运行在最优水平和最优效率上。