电力应用领域中的燃料电池功率调节

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1、电力应用领域中的燃料电池功率调节摘要：燃料电池由于效率高，对环境影响小以及可扩展性而被看做前景最好的分布式能源之一。不幸的是，在燃料电池的控制中存在多种问题。燃料电池不能接收反向电流，在纹波电流存在下工作不佳，输出电压低且随电池寿命和电流大小变化，对负载的阶跃变化响应迟钝而且过载能力有限。由于这些缘故，经常需要电力转换器作为一种提供稳定且实用的直流电源的方法，来提升并调节电压。此外，为了并网接口和交流电机的应用，将逆变器加入从而允许直流源到交流源的转变。为了帮助激励电能调节在燃料电池中的运用，关于燃料电池的不同型号、应用以及典型的电气特性的简单介绍即将呈

2、现。在这之后，将对应用于燃料电池电能调节的各种直-直升压变换器和逆变器的拓扑结构进行检测。几个应用于高压/高功率场合的聚集多个燃料电池的结构也将被回顾。1介绍燃料电池是一种能够比传统产能方式工作在更高效率的环境友好型可再生能源。而且，燃料电池的可扩展性允许其应用在几乎各种场合，包括分布式发电。然而，一些内在的阻碍存在于燃料电池的应用当中。随电池寿命和电流大小变化的低输出电压、在输出纹波电流影响下的低效率、对负载阶跃响应反应迟钝、无过载能力以及不能接收反向电流等问题带来了很多需要用能量调节系统来克服的技术挑战。在这篇论文中，有对燃料电池结构、种类、应用和电

3、气特性的讨论。在这之后，将对几种用于单电池和多电池组合的不同的能量调节系统实现方法进行测试。1.1燃料电池结构1839年，WilliamGrove发现将氧气和氢气结合成一个特定的组态，可以产生电能。虽然这个发现产生于160多年前，但基本的操作原理仍然适用。一个燃料电池的基本原理图如图1所示。图1燃料电池的基本原理图将氢气通向阳极，阳极上的催化剂将氢气分解为电子和氢正离子。分隔阳极和阴极的质子交换膜只让氢正离子渗透过去，而阻止了电子。这使得电子不得不选择另一条电路通向阴极。一旦电子到达阴极，它们就和氧气、氢离子重组成水。以下是描述该过程的化学反应式：当纯氢

4、气被用作燃料，燃料电池只会产生电能和水。这使得燃料电池成为一种环境友好型能源。为了得到纯净的氢气，要加入一个燃料处理器或者改质器。改质器利用天然气、煤炭和生物作为燃料生产氢气。实际用于发电的燃料电池结构由几个部分组成，如图2所示。基础结构是包含阳极、阴极和质子交换膜的矩形或圆柱形管子，其作用是执行发电和电子重组。为了组成一个燃料电池堆，这些管子串接或并接地绑在一起来产生一个千瓦级至兆瓦级的单元。对于需要大规模能量的实际应用，这些燃料电池堆可以积聚成层，这些层可以组装成亚兆瓦至兆瓦级的发电机组件。图2燃料电池组合结构1.2燃料电池型号及其应用自从Willi

5、amGrove发现燃料电池，其分类也发展起来。燃料电池一般的分类标准建立在所用电解质种类的基础上。如下是燃料电池型号列表：碱性燃料电池（AFCs）磷酸燃料电池（PAFCs）质子交换膜燃料电池(PEMFCs)熔融碳酸盐型燃料电池（MCFCs）固体氧化剂燃料电池（SOFCs）燃料电池可以进一步根据工作温度来分类。高温燃料电池包括MCFCs和SOFCs，它们工作在500℃以上，反应比低温燃料电池更加活跃而高效，而且不需要使用改质器。此外，高温燃料电池不需要利用铂金等昂贵的重金属催化剂就可以正常工作，降低了整体成本。较高的温度操作同时可容纳不同的燃料和热电联产系

6、统应用。然而，高温物质和高温操作问题的严峻性成为了那些需要快速启动的小规模操作的阻碍。因此，现存的高温燃料电池应用主要集中在小至大型固定式发电厂，因为对这些发电厂来说，内部改革和热电联产能力比材料击穿和反应慢的缺点更重要。在应用方面，美国能源部（DOE）与燃料电池能源公司已经研究的MCFC严重固定式设备应用。现在的努力在欧洲产生了几个子兆瓦的发电厂，这些发电厂提供电力1700万千瓦/小时。固体氧化剂燃料电池同样取得了固定电源应用中的成功。西门子西屋公司开发并测试了已达到52％的效率，250千瓦的混合动力系统。然而，预期未来的固体氧化剂燃料电池是利用几兆瓦

7、的输出和由于热电联产而效率超过75％的单元。低温燃料电池通常工作在250℃一下，和包括AFC，PAFC和PEMFC类型。由于低温下不允许内部重整，能提供纯净氢气的外部能源是必不可少的。目前，由于更高的功率密度，快速启动和更少的高温材料问题，低温燃料电池的应用集中于车辆应用程序。特别地，AFC已被应用于空间飞行器，如阿波罗和航天飞机，而PEMFC已被研究应用与商业车辆。PEMFC和PAFC系统也已被投入到热电联产的应用中。在90年代初期，12个PAFC发电厂被建在德国，并已运作超过40000小时。1.3燃料电池的典型电气特性燃料电池的操作类似于普通电池，因

8、为在燃料电池使用了两个电极（阳极和阴极），并产生直流电压。燃料电池相对于普通电池