燃料电池技术及其应用201309

燃料电池技术及燃料电池机车陈维荣教授电气工程与控制工程前沿科技之——目录Part1:研究背景Part2:燃料电池技术Part3:燃料电池应用Part4:燃料电池机车Part5:部分研究成果燃料电池技术及燃料电池机车目录Part1:研究背景Part2:燃料电池技术Part3:燃料电池应用Part4:燃料电池机车Part5:部分研究成果燃料电池技术及燃料电池机车Part1:研究背景•全球能源消耗的增长——全球CO2排放量持续增长——全球平均气温逐年攀升——气候变化带来灾难性后果能源短缺和环境污染是全球所面临的巨大挑战全球CO2排放量Part1:研究背景1996199820002002200420062008040080012001600投资量（十亿美元）年份•使用新能源，节能减排已经成为大势所趋，清洁、环保的可再生能源将得到快速发展•过去十年，全球新能源领域投资总量增长迅猛全球新能源产业投资总量增长趋势世界能源更替趋势Part1:研究背景全球风力发电装机容量增长情况全球光伏发电装机容量增长情况Part1:研究背景•国际能源消费经过了木材、煤、石油、天然气到太阳能/氢能的更替，整个更替过程使用的燃料含碳量逐步降低；Part1:研究背景•以氢气为燃料，不产生碳排放——节能、环保、绿色、可再生——氢能：发展趋势、各国发展战略——目前正研究通过光伏等制氢•燃料电池利用氢气发电——氢能的最佳利用——国际研究前沿、热点目录Part1:研究背景Part2:燃料电池技术Part3:燃料电池应用Part4:燃料电池机车Part5:部分研究成果燃料电池技术及燃料电池机车Part2:燃料电池技术ChangingenergyObtainingelectricityUsingairsourceEquipmentforchangingchemicalenergytoelectricalenergyBasedonprinciplesofelectrochemistryUseairasasourceofO2ChangingenergyObtainingelectricityUsingairsourceWhatisafuelcell?燃料电池是一种通过氢和氧非燃烧反应将化学能转化为电能的电化学装置。燃料电池与普通蓄（干）电池的区别：普通电池是将储存在一定容器内的化学能转化成电能的装置。燃料电池是一种将外部供给的燃料和氧化剂中的化学能持续不断的转化成电能的装置。Part2:燃料电池技术•In1839,SirGroveknownas“FatheroftheFuelCell”indicatedthepossibilityofthehydrogen-oxygenreactiontogenerateelectricity.（燃料电池之父—格罗夫1839年发表世界第1篇有关FC研究报告)•1950：培根(FrancisBacon)研制成功碱性燃料电池，并成功作为60年代Apollo登月飞船的主电源(Source:~eugeniik/history/grove.htm)燃料电池的发展•1960：美国通用电气研制出采用聚苯乙烯磺酸膜的质子交换膜燃料电池PEMFC，且于1960年10月首次用于双子星座(Gemini)飞船的主电源•1962：杜邦（DuPond）公司开发成功全氟磺酸膜，并被通用组装成长寿命（57000h）的PEMFC。•1970年代：其它燃料电池：磷酸(PhosphoricAcid)PAFC、溶融碳酸盐(MoltenCarbonate)MCFC、固体氧化物(SolidOxide)SOFC等陆续面世•1983：Ballard研制成功新型全氟磺酸膜，实现“电极-膜-电极”三合一组件（MEA）——PEMFC发展的里程碑燃料电池的发展Fuelcell类型燃料氧化剂OperationtemperatureApplicationProtonexchangemembrane质子交换膜FC,PEMFC氢重整气空气室温-100℃lowerpowersystems,Vehicles,mobileapplications,etc.1-300kW（好，较成熟，贵）Alkaline碱性FC,AFC纯氢纯氧50-200℃Spaceflight1-100kW（成熟，中温，贵）Directmethanol直接甲醇FC,DMFC甲醇空气20-90℃Portableelectronic,systemsoflowpower1-1000W（微功率，较成熟）Phosphoricacid磷酸FC,PAFC重整气空气100-200℃Powersystems1-2000kW（功率大，贵）Moltencarbonate熔融碳酸盐FC,MCFC净化煤气天然气重整气空气650-700℃Medium-tolarge-scalePowersystems250-2000kW（功率大，寿命短）Solidoxide固体氧化物FC,SOFC煤气天然气碳氢化合物空气900-1000℃Powersystems1-200kW（高温，较成熟，固定应用）几种典型的燃料电池PEMFuelCells(PEMFC)质子交换膜燃料电池——ProtonExchangeMembrane（质子交换膜）被认为最有商业运用前景的燃料电池重量轻，能源密度高无运动电极部件，低腐蚀低运行温度，60-80度为主要运行温度快速启动，时频响应快应用于可携带电源、小型固定能源站、交通运输输出功率范围由1瓦至300千瓦几种典型的燃料电池HowdoesaPEMFuelCellwork?PEMFC工作原理目前，电催化剂均为“铂，Pt”，贵，nm级。CO、S——是其克星，十万之几（10-5），就可使铂严重中毒，大大降低电池性能及寿命-eHH22OHeHO222221阳极阴极催化剂•TheconstructionofPEMFCs•MEAistheheartoffuelcell.MEAcausesessentialreactionstobehappenedbetweenhydrogenandoxygenthatproduceselectricity.•APEMfuelcellismadeupofone‘membraneelectrodeassembly’(MEA膜电极组件，或三合一组件)•andtwo‘flowfieldplates（流场板）’.PEMFC结构PEMFC单电池及电堆(Source:SingaporeGasHubandFAC)目前研究现状（PEMFC）涉及领域：材料、电化学、控制、电气、结构等燃料电池电堆：材料、结构、工艺、模型、测试燃料电池控制：模型、算法、测量、冷却、空气压缩、加湿等燃料电池应用：UPS、电动汽车、电动机车、飞机舰艇、自行车、手机等小型移动设备分布式发电、电力系统储能等其它相关技术：电力电子（DC-DC、DC/AC）、氢的制备、储存、运输、加氢、混合动力（能源管理）等等等美国加州HydrogenHighway•总部位于：美国加州•轿车56台；公共汽车20台；计划达到300辆（2004-2007）•参加汽车公司：戴-克，福特，通用，本田，现代，尼桑，丰田，大众•政府部门：美国能源部、美国交通部、美国环保署、加州空气质量管理局、南海岸空气质量管理局加拿大BritishColumbia省HydrogenHighway•In2003,HydrogenHighwaywasannouncedthatWhistlerwouldhostthe2010WinterOlympics.•DevelopmentoftheHydrogenHighway,aseriesofatleastsevenhydrogenfuelingnodesbetweenVictoria,andWhistler.目录Part1:研究背景Part2:燃料电池技术Part3:燃料电池应用Part4:燃料电池机车Part5:部分研究成果燃料电池技术及燃料电池机车燃料电池的主要用途原则上，凡是需要动力的地方，均可以采用燃料电池。——交通运输动力：汽车，轮船，飞机——可携带能源：手提电脑，手机——固定地面站点：发电站，家庭能源动力，UPSPart3：燃料电池应用FC分布式发电及并网一、燃料电池分布式发电FC分布式发电及并网二、燃料电池在交通中的应用200WPEMFC电动模型车220WPEMFC电动自行车220WPEMFC电动遥控飞机150kWPEMFC电动机车样车其它应用目录Part1:研究背景Part2:燃料电池技术Part3:燃料电池应用Part4:燃料电池机车Part5:部分研究成果燃料电池技术及燃料电池机车1、燃料电池在机车中的应用•为了减缓温室效应、提高能源利用率，以削减列车运行能耗为目的，从2000年起东日本铁路公司的研发中心一直致力于新能源列车（NewEnergy，NE）的开发。•2002年，美国VehicleProjectsLLC公司和FuelcellPropulsion协会联合开发了世界第一辆燃料电池动力拖运机车。•北美BurlingtonNorthernSantaFe（BNSF）铁路公司在2007年提出一种大型混合动力站场调车机车的开发计划。Part4：燃料电池机车东日本铁路公司：KihaE200新能源（NewEnergy，NE）列车：2006年：开始研制世界首创的燃料电池混合动力列车；2007年7月31日：世界首列商业运营的燃料电池混合动力火车KihaE200正式投入运营。东日本铁路公司车轮电动机高压氢气FuelCell直流变换器逆变器蓄电池启动重载运行制动停车小型蓄电池轻载运行美国VehicleProjectsLLC公司VehicleProjectsLLC(Source:FUELCELLLOCOMOTIVESFORZEROEMISSIONS)北美铁路公司（BNSF）BNSF(Source:FUELCELLLOCOMOTIVESFORZEROEMISSIONS)FC混合动力调车GreenGoat（2007）BNSF铁路公司高压储氢罐放置在牵引蓄电池的上方，燃料电池堆安置在机车的尾部。250kWFC+1MW铅酸电池大型混合动力调车技术指标参数燃料电池类型PEMFC燃料电池功率150kW储氢方式高压氢罐储氢压力35MPa储氢容量23kg整车重量45吨传动方式直流-交流电传动外形尺寸13.5m×2.6m×3.6m设计时速65km/h中国首辆纯燃料电池电动机车（2013.1）西南交通大学-“蓝天号”机车燃料电池机车内部“蓝天号”机车150kW燃料电池系统结构图氢气回路空气回路冷却回路“蓝天号”机车FuelcellsystemAuxiliarycoolingfansAirSupplyModuleOilCoolingModuleHydrogenRemoteCommutatorDIWaterTankStackVentilationOutlet600VLi-ionBatteryPackHighVoltageTerminalsPanelStackCoolantCirculationRadiatorStackCoolantInletStackCoolantOutletHD6PowerModuleCAN/485CommunicationModuleSiemensPLCCentralControllerRelaysandTerminalsPanelStackCondenserCirculationRadiatorTransformerPowerSupplyModuleIsolatedDC/DCConverter(55A)SMPSforCondensorCoolingPowerSupplyThree-phaseInverterforauxiliaryACpowerAirOutletServoDrivingModuleDC/DCConverterforRemoteCommutatorHydrogenSupplyPi