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1、燃料電池技術(shù)及燃料電池機車,電氣工程與控制工程前沿科技之,目 錄 Part 1: 研究背景 Part 2: 燃料電池技術(shù) Part 3: 燃料電池應用 Part 4: 燃料電池機車 Part 5: 部分研究成果,燃料電池技術(shù)及燃料電池機車,目 錄 Part 1: 研究背景 Part 2: 燃料電池技術(shù) Part 3: 燃料電池應用 Part 4: 燃料電池機車 Part 5: 部分研究成果,燃料電池技術(shù)及燃料電池機車,Part 1: 研究背景,全球能源消耗的增長 全球CO2排放量持續(xù)增長 全球平均氣溫逐年攀升 氣候變化帶來災難性后果 能源短缺和環(huán)境污染是全球所面臨的巨大挑戰(zhàn),,全球CO2排
2、放量,Part 1: 研究背景,使用新能源，節(jié)能減排已經(jīng)成為大勢所趨，清潔、環(huán)保的可再生能源將得到快速發(fā)展 過去十年，全球新能源領(lǐng)域投資總量增長迅猛,全球新能源產(chǎn)業(yè)投資總量增長趨勢,世界能源更替趨勢,Part 1: 研究背景,全球風力發(fā)電裝機容量增長情況,全球光伏發(fā)電裝機容量增長情況,Part 1: 研究背景,國際能源消費經(jīng)過了木材、煤、石油、天然氣到太陽能/氫能的更替，整個更替過程使用的燃料含碳量逐步降低；,Part 1: 研究背景,以氫氣為燃料，不產(chǎn)生碳排放 節(jié)能、環(huán)保、綠色、可再生 氫能：發(fā)展趨勢、各國發(fā)展戰(zhàn)略 目前正研究通過光伏等制氫 燃料電池利用氫氣發(fā)電 氫能的最佳利用 國
3、際研究前沿、熱點,目 錄 Part 1: 研究背景 Part 2: 燃料電池技術(shù) Part 3: 燃料電池應用 Part 4: 燃料電池機車 Part 5: 部分研究成果,燃料電池技術(shù)及燃料電池機車,Part 2: 燃料電池技術(shù),,,,,,,,,,,,,Changing energy,Obtaining electricity,Using air source,Equipment for changing chemical energy to electrical energy,Based on principles of electrochemistry,Use air as a sourc
4、e of O2,Changing energy,Obtaining electricity,Using air source,What is a fuel cell? 燃料電池是一種通過氫和氧非燃燒反應將化學能轉(zhuǎn)化為電能的電化學裝置。,燃料電池與普通蓄（干）電池的區(qū)別：,普通電池是將儲存在一定容器內(nèi)的化學能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。,燃料電池是一種將外部供給的燃料和氧化劑中的化學能持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)化成電能的裝置。,Part 2: 燃料電池技術(shù),In 1839, Sir Grove known as “Father of the Fuel Cell” indicated the possibility of
5、 the hydrogen-oxygen reaction to generate electricity. （燃料電池之父格羅夫1839年發(fā)表世界第1篇有關(guān)FC研究報告) 1950：培根(Francis Bacon)研制成功堿性燃料電池，并成功作為60年代Apollo登月飛船的主電源,(Source: http://chem.ch.huji.ac.il/eugeniik/history/grove.htm),燃料電池的發(fā)展,1960：美國通用電氣研制出采用聚苯乙烯磺酸膜的質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC，且于1960年10月首次用于雙子星座(Gemini)飛船的主電源 1962：杜邦（Du P
6、ond）公司開發(fā)成功全氟磺酸膜，并被通用組裝成長壽命（57000h）的PEMFC。 1970年代：其它燃料電池：磷酸(Phosphoric Acid) PAFC、溶融碳酸鹽 (Molten Carbonate) MCFC、固體氧化物(Solid Oxide) SOFC等陸續(xù)面世 1983：Ballard研制成功新型全氟磺酸膜，實現(xiàn)“電極-膜-電極”三合一組件（MEA） PEMFC發(fā)展的里程碑,燃料電池的發(fā)展,幾種典型的燃料電池,PEM Fuel Cells (PEMFC)質(zhì)子交換膜燃料電池,Proton Exchange Membrane（質(zhì)子交換膜）,被認為最有商業(yè)運用前景的燃料電
7、池 重量輕，能源密度高 無運動電極部件，低腐蝕 低運行溫度，60-80 度為主要運行溫度 快速啟動，時頻響應快 應用于可攜帶電源、小型固定能源站、 交通運輸 輸出功率范圍由 1 瓦 至300 千瓦,幾種典型的燃料電池,How does a PEM Fuel Cell work?,PEMFC 工作原理,,目前，電催化劑均為“鉑，Pt”，貴，nm級。 CO、S 是其克星，十萬之幾（10-5），就可使鉑嚴重中毒， 大大降低電池性能及壽命,,,The construction of PEMFCs,,MEA is the heart of fuel cell. MEA causes ess
8、ential reactions to be happened between hydrogen and oxygen that produces electricity.,A PEM fuel cell is made up of one membrane electrode assembly (MEA膜電極組件，或三合一組件) and two flow field plates（流場板）.,PEMFC 結(jié)構(gòu),PEMFC 單電池及電堆,(Source: Singapore GasHub and FAC ),目前研究現(xiàn)狀（PEMFC）,涉及領(lǐng)域： 材料、電化學、控制、電氣、結(jié)構(gòu)等 燃料電池
9、電堆：材料、結(jié)構(gòu)、工藝、模型、測試 燃料電池控制：模型、算法、測量、冷卻、空氣壓 縮、加濕等 燃料電池應用：UPS、電動汽車、電動機車、飛機 艦艇、自行車、手機等小型移動設備 分布式發(fā)電、電力系統(tǒng)儲能等 其它相關(guān)技術(shù)：電力電子（DC-DC、DC/AC）、氫 的制備、儲存、運輸、加氫、混合 動力（能源管理）等 等等,美國加州Hydrogen Highway,總部位于：美國加州 轎車56臺；公共汽車20 臺；計劃達到300輛（2004-2007） 參加汽車公司：戴-克，福特， 通用，本田，現(xiàn)代，尼桑，豐田
10、，大眾 政府部門：美國能源部、美國交通部、 美國環(huán)保署、加州空氣質(zhì)量管理局、南海岸空氣質(zhì)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 Olympics. Development of the Hydrogen Highway, a series of at least seven hydrogen fueling nodes between Victoria, and Whistler.,目 錄
11、 Part 1: 研究背景 Part 2: 燃料電池技術(shù) Part 3: 燃料電池應用 Part 4: 燃料電池機車 Part 5: 部分研究成果,燃料電池技術(shù)及燃料電池機車,燃料電池的主要用途,原則上，凡是需要動力的地方，均可以采用燃料電池。 交通運輸動力：汽車，輪船，飛機 可攜帶能源：手提電腦，手機 固定地面站點：發(fā)電站，家庭能源動力，UPS,Part 3：燃料電池應用,FC分布式發(fā)電及并網(wǎng),一、燃料電池分布式發(fā)電,FC分布式發(fā)電及并網(wǎng),二、燃料電池在交通中的應用,,,200W PEMFC電動模型車 220W PEMFC電動自行車,,220W PEMFC電動遙控飛機 150kW
12、 PEMFC電動機車樣車,其它應用,目 錄 Part 1: 研究背景 Part 2: 燃料電池技術(shù) Part 3: 燃料電池應用 Part 4: 燃料電池機車 Part 5: 部分研究成果,燃料電池技術(shù)及燃料電池機車,1、燃料電池在機車中的應用 為了減緩溫室效應、提高能源利用率，以削減列車運行能耗為目的，從2000年起東日本鐵路公司的研發(fā)中心一直致力于新能源列車（New Energy，NE）的開發(fā) 。 2002年，美國Vehicle Projects LLC公司和Fuel cell Propulsion協(xié)會聯(lián)合開發(fā)了世界第一輛燃料電池動力拖運機車 。 北美Burlington Northern
13、 Santa Fe（BNSF）鐵路公司在2007年提出一種大型混合動力站場調(diào)車機車的開發(fā)計劃。,Part 4：燃料電池機車,東日本鐵路公司：Kiha E200,新能源（New Energy，NE）列車： 2006年：開始研制世界首創(chuàng)的燃料電池混合動力列車； 2007年7月31日：世界首列商業(yè)運營的燃料電池混合動力火車 Kiha E200正式投入運營 。,東日本鐵路公司,車輪,電動機,,,,,,,,,,,,,高壓 氫氣,Fuel Cell,直流 變換器,逆變器,蓄電池,,,,啟動,,,重載運行,,,制動,,,停車,,,小型蓄電池,,,輕載運行,,美國Vehicle Projects
14、 LLC公司,Vehicle Projects LLC,(Source: FUELCELL LOCOMOTIVES FOR ZEROEMISSIONS),北美鐵路公司（BNSF）,BNSF,(Source: FUELCELL LOCOMOTIVES FOR ZEROEMISSIONS),FC混合動力調(diào)車,Green Goat （2007）,BNSF鐵路公司,高壓儲氫罐放置在牽引蓄電池的上方，燃料電池堆安置在機車的尾部。,250kWFC+1MW鉛酸電池大型混合動力調(diào)車,中國首輛純?nèi)剂想姵仉妱訖C車（2013.1）,西南交通大學 - “藍天號”機車,,,,燃料電池機車內(nèi)部,“藍天號”機車,,,,,1
15、50kW燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,“藍天號”機車,,Fuel cell system,,“藍天號”機車,,,,,150kW燃料電池系統(tǒng)電氣原理圖,“藍天號”機車,,,,燃料電池機車布局圖,“藍天號”機車,,,,,燃料電池機車運行曲線,“藍天號”機車,國家十二五規(guī)劃： 有序推進地鐵、輕軌、有軌電車等城市軌道交通網(wǎng)絡建設； 重點發(fā)展大運量高速載運、新能源載運等技術(shù)與裝備。,42,2、燃料電池混合動力有軌電車,全國30多個城市 共50余條線路 總里程1200公里 市場2000億元,43,發(fā)展前 景廣闊,城市軌道交通,,,100%低地板有軌電車：人性化設計、載客量大 發(fā)展趨勢,2、燃料電池混合動力有軌電車,
16、,有軌電車,,,2、燃料電池混合動力有軌電車,45,燃料電池有軌電車的優(yōu)點,1. 清潔、環(huán)保、美觀,2. 克服了儲能式電車續(xù)駛里程問題,4. 節(jié)省系統(tǒng)總體造價,3. 無需復雜的地面供電系統(tǒng),比第三軌和感應式節(jié)省造價20%以上 略低于儲能式電車系統(tǒng) 運營成本與既有系統(tǒng)相當,2、燃料電池混合動力有軌電車,46,研究燃料電池/超級電容混合動力100%低地板有軌電車動力系統(tǒng)及整車集成等關(guān)鍵技術(shù)，研制一列具有自主知識產(chǎn)權(quán)燃料電池/超級電容混 合動力100%低地板有軌電車樣車。,總體目標,2、燃料電池混合動力有軌電車,試 驗 技 術(shù),主要研究內(nèi)容,47,2.混合動力能量管理技術(shù),1.燃料電池系統(tǒng)優(yōu)化控制
17、,研 究 內(nèi) 容,3.車輛系統(tǒng)集成技術(shù),混合動力電車頂層設計,工 藝 技 術(shù),,關(guān) 鍵 技 術(shù),研制燃料電池混合動力電車樣車,,重點解決系統(tǒng)方案及總體參數(shù)設計問題,重點解決過氧比、電/熱負荷優(yōu)化控制問題,重點解決能量調(diào)度、動態(tài)控制、制動能量回收問題,重點解決結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化、振動模態(tài)匹配、噪聲控制問題,2、燃料電池混合動力有軌電車,目 錄 Part 1: 研究背景 Part 2: 燃料電池的原理 Part 3: 燃料電池的研究 Part 4: 燃料電池的應用 Part 5: 學校研究成果,燃料電池及其在分布式發(fā)電和交通中的應用,科研項目（12項）,Part 5：研究成果,1、 燃料電池系統(tǒng)建模與辨
18、識,Part 5：研究成果-基礎(chǔ)研究,,,膜水合模型,輸出電壓模型,陽極流量模型,陰極流量模型,供應管道模型,空氣壓縮機模型,回流管道模型,冷卻器模型,增濕器模型,PEMFC系統(tǒng) 靜態(tài)、動態(tài)模型,,電堆機理模型,輔助設備模型,1.燃料電池系統(tǒng)建模機理模型,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,Ts
19、t, Fan,in, an,in,,,PO2,ca,Tst,PH2,an,,Patm,AT,rm,,Ist, A, N,,Ist,Ist,,,,,1.燃料電池系統(tǒng)建模機理模型,,,主要包括PEMFC機理模型和輔助設備模型。其中機理模型由輸出電壓模型、陰極和陽極流量模型及膜水合模型等組成；系統(tǒng)輔助設備模型由空氣壓縮機模型、管道集總模型、冷卻器模型及增濕器模型等組成。部分模型如下： （1）輸出電壓模型：包括活化過電勢、歐姆過電勢及濃差過電勢,,,,,,,,（2）陰極流量模型 ：反映在燃料電池電堆陰極內(nèi)的空氣動態(tài)流動行為 （3）陽極流量模型 ：反映在燃料電池電堆陽極內(nèi)的氫氣動態(tài)流動行為,,,,
20、,,（4）空氣壓縮機模型 ： （5）供氣管道模型 ： （6）回流管道模型 ：,,,,,,,,,,,,,,1.燃料電池系統(tǒng)建模機理模型,,PSO,BP+LSE,BP-ANN,,ANFIS,1.燃料電池系統(tǒng)建模辨識模型,,1.燃料電池系統(tǒng)建模辨識模型,2、控制方法,2.燃料電池系統(tǒng)控制方法,過氧比控制,兩極壓力差控制,2.燃料電池系統(tǒng)控制方法,最優(yōu)溫度控制,混合動力控制,當OER過高，若再繼續(xù)增加 會引起寄生功率增加，進而 惡化系統(tǒng)凈輸出功率,當OER過低，會使電堆供氧 不足，產(chǎn)生氧匱乏現(xiàn)象，會 降低系統(tǒng)的凈輸出功率，使 膜表面出現(xiàn)“熱點”，降低 電堆使用壽命問題,系統(tǒng)過氧比（OER）表明PEM
21、FC系統(tǒng)的供氧狀況，是衡量系統(tǒng)發(fā)電性能的主要指標。 OER是陰極入口供應的氧氣質(zhì)量流量與所消耗的氧氣質(zhì)量流量之比：,,,2.燃料電池系統(tǒng)控制方法OER控制,,（1）常值OER控制：2DOF（降階H次優(yōu)輸出反饋控制器+前饋補償器） （2）最佳OER控制：伺服控制系統(tǒng),,,,,2.燃料電池系統(tǒng)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.控制方法最優(yōu)溫度控制,Tref = f (Io
22、ut, Tem),Incremental PID temperature control (Microchip PIC18F8622 ) Reference governor (based on QR decomposition of Vandermonde matrices ),2.控制方法最優(yōu)溫度控制,,能量管理：針對FC和蓄電池（FC+B）混合動力以及 FC、蓄電池和超級電容器（FC+B+UC）混合動力系 統(tǒng)，采用模糊控制方法設計相應的能量控制策略,,,,,2.控制方法混合動力控制策略,中國首輛純?nèi)剂想姵仉妱訖C車（2013.1）,Part 5：研究成果-應用,1.2kW 燃料電池
23、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),應用,,,200W PEMFC電動模型車 220W PEMFC電動自行車,,220W PEMFC電動遙控飛機 150kW PEMFC電動機車樣車,應用,（1）燃料電池/超級電容混合動力有軌電車,正在（擬）研發(fā)的應用,（2）燃料電池叉車,正在（擬）研發(fā)的應用,（3）家用風光電互補發(fā)電系統(tǒng),正在（擬）研發(fā)的應用,風電,并網(wǎng) 逆變器,光伏,家電,燃料 電池,燃料 電池,電網(wǎng),,,氫氣,氧氣,,,,,,,,,論文（近100篇，SCI/EI檢索42篇）,72,陳維榮, 錢清泉, 李奇. 燃料電池混合動力列車的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢. 西南交通大學學報, 2009, 44(1): 1
24、-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 Adaptive Particle Swarm Optimization J. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(6): 2410-2419. (SCI: 000290628500037) Q
25、i 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. IET Renewable Power Generation, 2012, 6(4): 217-225. (SCI: 000314403600002) Qi Li, Weirong Chen, Yankun Li, Shukui Liu,
26、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. (SCI: 000311184200057) Qi Li, Weirong Chen, Shukui Liu, Zhiyu You, Shiyong Tao, Yankun Li. Power Managem
27、ent 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 Chen, 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-論文,申請專利（6項）,73,Part 5：研究成果-專利,Thank you for your attention!,
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