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1、燃料电池技术及燃料电池机车,电气工程与控制工程前沿科技之,目 录Part 1:研究背景Part 2:燃料电池技术Part 3:燃料电池应用Part 4:燃料电池机车Part 5:部分研究成果,燃料电池技术及燃料电池机车,目 录Part 1:研究背景Part 2:燃料电池技术Part 3:燃料电池应用Part 4:燃料电池机车Part 5:部分研究成果,燃料电池技术及燃料电池机车,Part 1: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,Part 1:研究背景,使用新能源，节能减排已经
2、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,Part 1: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,Part 1: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；,Part 1: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Part 1:研究背景Part 2:燃料电池技术Pa
3、rt 3:燃料电池应用Part 4:燃料电池机车Part 5:部分研究成果,燃料电池技术及燃料电池机车,Part 2:燃料电池技术,Changing energy,Obtainingelectricity,Usingair source,Equipment for changing chemical energy to electrical energy,Based on principles of electrochemistry,Use air as a source of O2,Changing energy,Obtainingelectricity,Usingair source,Wh
4、at is a fuel cell?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。,Part 2:燃料电池技术,In 1839,Sir Grove known as“Father of the Fuel Cell”indicated the possibility of the hydrogen-oxygen reaction to generate electricity.（燃料电池之父格罗夫1839年发
5、表世界第1篇有关FC研究报告)1950：培根(Francis Bacon)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:http:/chem.ch.huji.ac.il/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（Du Pond）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(Phosphoric Acid)PA
6、FC、溶融碳酸盐(Molten Carbonate)MCFC、固体氧化物(Solid Oxide)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,几种典型的燃料电池,PEM Fuel Cells(PEMFC)质子交换膜燃料电池,Proton Exchange Membrane（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
7、千瓦,几种典型的燃料电池,How does a PEM Fuel Cell work?,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,The construction of PEMFCs,MEA is the heart of fuel cell.MEA causes essential reactions to be happened between hydrogen and oxygen that produces electricity.,A PEM fuel cell is made
8、 up of one membrane electrode assembly(MEA膜电极组件，或三合一组件)and two flow field plates（流场板）.,PEMFC 结构,PEMFC 单电池及电堆,(Source:Singapore GasHub and FAC),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-
9、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Hydrogen Highway,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British Columbia 省Hydrogen Highway,In 2003,Hydrogen Highway was announced that Whistler would host the 2010 Winter Ol
10、ympics.Development of the Hydrogen Highway,a series of at least seven hydrogen fueling nodes between Victoria,and Whistler.,目 录Part 1:研究背景Part 2:燃料电池技术Part 3:燃料电池应用Part 4:燃料电池机车Part 5: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，UPS,Part 3：燃料电池
11、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,200W PEMFC电动模型车 220W PEMFC电动自行车,220W PEMFC电动遥控飞机 150kW PEMFC电动机车样车,其它应用,目 录Part 1:研究背景Part 2:燃料电池技术Part 3:燃料电池应用Part 4:燃料电池机车Part 5: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（New Energy，NE）的开发。2002年
12、，美国Vehicle Projects LLC公司和Fuel cell Propulsion协会联合开发了世界第一辆燃料电池动力拖运机车。北美Burlington Northern Santa Fe（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。,Part 4：燃料电池机车,东日本铁路公司：Kiha E200,新能源（New Energy，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 Kiha E200正式投入运营。,东日本铁路公司,车轮,电动机,高压氢气,Fuel Cell,直流变换器
13、,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Vehicle Projects LLC公司,Vehicle Projects LLC,(Source:FUELCELL LOCOMOTIVES FOR ZEROEMISSIONS),北美铁路公司（BNSF）,BNSF,(Source:FUELCELL LOCOMOTIVES FOR ZEROEMISSIONS),FC混合动力调车,Green Goat（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,中国首辆纯燃料电池电动机车（2
14、013.1）,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,“蓝天号”机车,Fuel cell system,“蓝天号”机车,150kW燃料电池系统电气原理图,“蓝天号”机车,燃料电池机车布局图,“蓝天号”机车,燃料电池机车运行曲线,“蓝天号”机车,国家十二五规划：有序推进地铁、轻轨、有轨电车等城市轨道交通网络建设；重点发展大运量高速载运、新能源载运等技术与装备。,42,2、燃料电池混合动力有轨电车,全国30多个城市共50余条线路总里程1200公里市场2000亿元,43,发展前景广阔,城市轨道交通,100%低地板有轨电车：人性化设计、载客量大发展
15、趋势,2、燃料电池混合动力有轨电车,有轨电车,2、燃料电池混合动力有轨电车,45,燃料电池有轨电车的优点,1.清洁、环保、美观,2.克服了储能式电车续驶里程问题,4.节省系统总体造价,3.无需复杂的地面供电系统,比第三轨和感应式节省造价20%以上略低于储能式电车系统运营成本与既有系统相当,2、燃料电池混合动力有轨电车,46,研究燃料电池/超级电容混合动力100%低地板有轨电车动力系统及整车集成等关键技术，研制一列具有自主知识产权燃料电池/超级电容混 合动力100%低地板有轨电车样车。,总体目标,2、燃料电池混合动力有轨电车,试验技术,主要研究内容,47,2.混合动力能量管理技术,1.燃料电池系
16、统优化控制,研究内容,3.车辆系统集成技术,混合动力电车顶层设计,工艺技术,关键技术,研制燃料电池混合动力电车样车,重点解决系统方案及总体参数设计问题,重点解决过氧比、电/热负荷优化控制问题,重点解决能量调度、动态控制、制动能量回收问题,重点解决结构布局优化、振动模态匹配、噪声控制问题,2、燃料电池混合动力有轨电车,目 录Part 1:研究背景Part 2:燃料电池的原理Part 3:燃料电池的研究Part 4:燃料电池的应用Part 5:学校研究成果,燃料电池及其在分布式发电和交通中的应用,科研项目（12项）,Part 5：研究成果,1、燃料电池系统建模与辨识,Part 5：研究成果-基础研
17、究,膜水合模型,输出电压模型,阳极流量模型,阴极流量模型,供应管道模型,空气压缩机模型,回流管道模型,冷却器模型,增湿器模型,PEMFC系统静态、动态模型,电堆机理模型,辅助设备模型,1.燃料电池系统建模机理模型,Fcr,Tcp,out,Pca,in,Tst,Fca,in,ca,in,Pca,in,Tcp,in,vcm,Psm,Pca,Tcl,Fa,hm,Thm,Fv,cl,hm,Prm,Fca,out,Tst,ca,Ist,Fv,membr,an,Fv,membr,Fsm,out,Tsm,Pcl,Pan,in,Tst,Fan,in,an,in,PO2,ca,Tst,PH2,an,Patm,A
18、T,rm,Ist,A,N,Ist,Ist,1.燃料电池系统建模机理模型,主要包括PEMFC机理模型和辅助设备模型。其中机理模型由输出电压模型、阴极和阳极流量模型及膜水合模型等组成；系统辅助设备模型由空气压缩机模型、管道集总模型、冷却器模型及增湿器模型等组成。部分模型如下：（1）输出电压模型：包括活化过电势、欧姆过电势及浓差过电势,（2）阴极流量模型：反映在燃料电池电堆阴极内的空气动态流动行为（3）阳极流量模型：反映在燃料电池电堆阳极内的氢气动态流动行为,（4）空气压缩机模型：（5）供气管道模型：（6）回流管道模型：,1.燃料电池系统建模机理模型,PSO,BP+LSE,BP-ANN,ANFIS,
19、1.燃料电池系统建模辨识模型,1.燃料电池系统建模辨识模型,2、控制方法,2.燃料电池系统控制方法,过氧比控制,两极压力差控制,2.燃料电池系统控制方法,最优温度控制,混合动力控制,当OER过高，若再继续增加会引起寄生功率增加，进而恶化系统净输出功率,当OER过低，会使电堆供氧不足，产生氧匮乏现象，会降低系统的净输出功率，使膜表面出现“热点”，降低电堆使用寿命问题,系统过氧比（OER）表明PEMFC系统的供氧状况，是衡量系统发电性能的主要指标。OER是阴极入口供应的氧气质量流量与所消耗的氧气质量流量之比：,2.燃料电池系统控制方法OER控制,（1）常值OER控制：2DOF（降阶H次优输出反馈控
20、制器+前馈补偿器）（2）最佳OER控制：伺服控制系统,2.燃料电池系统控制方法OER控制,Temperature Optimization and Control of Optimal Performance for a 300W Open Cathode Proton Exchange Membrane Fuel Cell,2.控制方法最优温度控制,Tref=f(Iout,Tem),Incremental PID temperature control(Microchip PIC18F8622)Reference governor(based on QR decomposition of V
21、andermonde matrices),2.控制方法最优温度控制,能量管理：针对FC和蓄电池（FC+B）混合动力以及 FC、蓄电池和超级电容器（FC+B+UC）混合动力系 统，采用模糊控制方法设计相应的能量控制策略,2.控制方法混合动力控制策略,中国首辆纯燃料电池电动机车（2013.1）,Part 5：研究成果-应用,1.2kW 燃料电池并网发电系统,应用,200W PEMFC电动模型车 220W PEMFC电动自行车,220W PEMFC电动遥控飞机 150kW PEMFC电动机车样车,应用,（1）燃料电池/超级电容混合动力有轨电车,正在（拟）研发的应用,（2）燃料电池叉车,正在（拟）研发
22、的应用,（3）家用风光电互补发电系统,正在（拟）研发的应用,风电,并网逆变器,光伏,家电,燃料电池,燃料电池,电网,氢气,氧气,论文（近100篇，SCI/EI检索42篇）,72,陈维荣,钱清泉,李奇.燃料电池混合动力列车的研究现状及发展趋势.西南交通大学学报,2009,44(1):1-6(EI:20090811917427)Qi Li,Weirong Chen,Youyi Wang,Shukui Liu,Junbo Jia.Parameter identification for PEM Fuel Cell Mechanism Model Based on Effective Informed
23、 Adaptive Particle Swarm Optimization J.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2011,58(6):2410-2419.(SCI:000290628500037)Qi Li,Weirong Chen,Youyi Wang,Shukui Liu,Shiyong Tao.Robust H suboptimal control based on effective informed adaptive particle swarm optimization algorithm for PEMFC system J
24、.IET Renewable Power Generation,2012,6(4):217-225.(SCI:000314403600002)Qi Li,Weirong Chen,Yankun Li,Shukui Liu,Jin Huang.Energy management strategy for fuel cell/battery/ultracapacitor hybrid vehicle based on fuzzy logic J.International Journal of Electrical Power and Energy Systems,2012,43:514-525.
25、(SCI:000311184200057)Qi Li,Weirong Chen,Shukui Liu,Zhiyu You,Shiyong Tao,Yankun Li.Power Management Strategy based on Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System for Fuel cell-Battery Hybrid Vehicle J.Journal of Renewable and Sustainable Energy,2012,4(1):013106.(SCI:000300951000017)Chaohua Dai,Weirong Che
26、n,Zhanli Cheng,Qi Li,Zhiling Jiang,Junbo Jia.Seeker optimization algorithm for global optimization:a case study on optimal modelling of proton exchange membrane fuel cell(PEMFC)J.International Journal of Electrical Power and Energy Systems,2011,33(3):369-376.(SCI:000288842800001),Part 5：研究成果-论文,申请专利（6项）,73,Part 5：研究成果-专利,Thank you for your attention!,
