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.     

未来的汽车动力一燃料电池

介绍了氢燃料电池在汽车上的应用,对燃料电池车的优点、目前存在的技术难题以及发展形势进行了综述.     

燃料电池的应用和发展现状

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.     

燃料电池供气系统鲁棒控制策略研究

燃料电池系统部件的设计和制造完成后,影响燃料电池系统性能和效率的主要因素是燃料电池的运行状况.燃料电池有3个主要的控制子系统,即反应物供应系统、水管理系统和热管理系统.为此,提出一种基于鲁棒控制的供气控制方案系统,应用H-无穷方法设计控制器架构,用以最小化氧气供给的期望值和实际值.通过燃料电池试验,验证该鲁棒控制策略的效果.     

基于代理模型的直流道质子交换膜燃料电池优化设计

质子交换膜燃料电池是一种可以将储存在燃料中的化学能转化为电能的装置.应用Kriging代理模型结合遗传算法对流道宽、流道高和岸宽3个几何参数进行了优化设计,以质子交换膜燃料电池的净功率作为优化的目标函数来评价质子交换膜燃料电池的性能.数值模拟应用了商业软件ANSYS FLUENT.优化后的质子交换膜燃料电池流道内具有更高的压力,使更多的反应气体参加电化学反应,因此优化后的质子交换膜燃料电池的性能得到了提高.     

熔融碳酸盐燃料电池热力特性研究与实验分析

基于质量、能量和动量守恒原理和热力学特性,建立了一维熔融碳酸盐燃料电池的数学模型,应用容阻特性将复杂的偏微分方程转换为适用于快速仿真的差分方程组求解,并对燃料电池进行了实验分析.该数学模型考虑了电化学反应,反映了燃料电池的分布参数特性.利用该模型分析某一工况下熔融碳酸盐燃料电池的性能,通过与实验数据的对比表明,容阻特性的建模方法在燃料电池系统中是可行的,该模型可以反映熔融碳酸盐燃料电池的特性.     

基于MATLAB/Simulink的氢燃料电池系统建模与仿真

车用氢燃料电池在实际应用中易受外界环境和工况变化的影响,存在电压输出不稳定、大滞后性以及燃料安全性等问题,严重阻碍了燃料电池的商业化应用推广.建立更为准确的燃料电池系统模型能够更有效地进行仿真与优化.采用机理建模和辨识建模相结合的方式建立了氢燃料电池系统模型,依据电堆的实际情况建立了输出电压、输出功率的半经验模型;根据燃料电池系统的工作原理,建立了燃料电池空气供给系统和氢气供给系统的机理模型,并在MATLAB/Simulink环境下进行了仿真分析.结果表明:该模型能有效反映电堆运行的工作压力、电堆温度、阴阳极工作压力差以及氧气过量比等关键参数的静、动态变化,进而绘制不同工况下的输出电压、输出功率随负载电流的关系曲线图,从得到的关系曲线图中,得出不同参数的变化对燃料电池运行的影响结果.     

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.     

电动汽车燃料电池的关键技术和发展趋势

电动汽车燃料电池技术已经成为各国争相研究的热点.质子膜燃料电池(PEMFC)作为新一代发电技术,其广阔的应用前景可与计算机技术相媲美.本文介绍了燃料电池(FC)的工作原理及分类;重点分析了PEMFC的关键技术及其研究现状,并对PEMFC的前景进行预测,并提出相应的发展措施.     

固体氧化物燃料电池的系统结构及其研究进展

固体氧化物燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学装置,具有高效率、零污染、超静音等特点.本文从原理入手介绍了固体氧化物燃料电池的系统结构和技术发展.     

燃料电池飞机动力系统技术概述

燃料电池作为一种清洁高效电化学发电装置,正被逐步应用在汽车和轻型飞机上。首先对PEMFC进行介绍;分析对比氢的制取和储存技术;重点分析了燃料电池的电动力系统及其子系统;分析氢气安全问题;最后指出燃料电池电动力系统发展需要解决的技术课题。     

细鳞片膨胀石墨在燃料电池中的应用分析

本文简述了质子交换膜燃料电池双极板的基本概念,分析了细鳞片膨胀石墨在质子交换膜燃料电池中应用的优缺点。指出细鳞片膨胀石墨优点是比表面积大、密度均匀、复合性能好,不足之处在于纯度不够高,在回弹性、导电性方面不如大鳞片膨胀石墨。指出细鳞片膨胀石墨在质子交换膜燃料电池中的应用发展方向在于复合双极板。     

未来的汽车动力—燃料电池

介绍了氢燃料电池在汽车上的应用,对燃料电池车的优点,目前存在的技术难题以及发展形势进行了综述。     

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.     

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。     

影响车用质子交换膜燃料电池性能的诸因素分析及试验

通过对质子交换膜燃料电池进行理论建模和试验,分析了反应气体压力、电堆温度和增湿温度对燃料电池输出电压的影响,在PEMFC允许的工作参数范围内,这3个因素增加均可使电池输出电压上升.同时通过燃料电池系统的性能试验验证了仿真结果的正确性.燃料电池的高负荷持续工作特性测试表明其符合作为车用动力源高负载长时间运转的要求.测定了不同气体压力下燃料电池的效率,分析了燃料电池的输出功率与其效率之间的变化关系,讨论了燃料电池作为车用动力源时的能量效率,为车用质子交换膜燃料电池的使用与控制以便发挥其最佳性能提供参考.     

中国电动汽车技术新进展

介绍了中国政府在发展电动汽车方面实施的政策、重大研究计划和取得的重要进展.通过对中国燃料电池电动汽车、纯电动汽车和混合动力电动汽车技术现状的研究,以及对电池、电机、控制器等电动汽车关键技术的进展,以及企业高校在电动汽车研发方面取得的成果的分析,指出在未来10年中混合动力电动汽车将会迅速发展,但远景并不乐观.其中,充电式混合动力电动汽车更具有发展前途;虽然燃料电池电动汽车有很好的应用前景,但受到价格的约束,因此近20年内不太可能大规模进入市场;纯电动汽车有着广阔的发展前景,而其中的微型电动汽车更适合中国的国情.     

PEM燃料电池阴极催化剂层特性

为了提高催化剂层的特性和PEM燃料电池的性能,加速它的推广和应用.给出了一个PEM燃料电池阴极传热传质的数学模型,模拟研究了阴极催化剂层中氧气体积分数、电流密度、阻抗和温度分布的规律.研究发现:模拟条件下,在阴极催化剂层中的传质中,质子传递过程是阴极性能的控制过程;沿着气体通道方向,催化剂层中的氧气浓度、电流密度、阻抗和温度均渐渐降低;沿着Y轴方向,氧气体积分数,阻抗和温度渐渐降低,而电流密度升高.研究结果对PEM燃料电池阴极结构优化和提高性能具有重要的参考作用.     

燃料电池混合动力汽车控制策略研究

提出一种燃料电池功率主导轻型混合动力汽车的整车控制策略. 构建了燃料电池混合动力系统构型,建立了高压燃料电池发电系统控制约束模型,制定了7种工作模式和以燃料电池输出功率为主导、电池组SOC维持型的控制逻辑. 整车试验结果表明,燃料电池输出功率能很好地跟踪驾驶员踏板的功率需求,整车燃氢经济性为2.464 kg/100 km.     

燃料电池系统建模与供气系统控制方法

为了研究燃料电池系统的特性以及空气系统对燃料电池特性的影响,利用Simulink仿真软件对燃料电池系统进行建模,模型包括电压模型、空压机模型、阴极模型、阳极模型.分别通过前馈比例-积分-微分(proportional-integral-differential, PID)和模糊PID对燃料电池空气系统进行控制.结果表明：在负载电流变化时,前馈PID和模糊PID都能够使过氧比达到设定的常数值2.0附近,但模糊PID比前馈PID响应更快,且模糊PID控制下的燃料电池输出功率波动较小,燃料电池系统更加稳定.