（制冷及低温工程专业论文）考虑水传输的质子交换膜燃料电池系统特性仿真研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：谴日期：幽丛尘丝、 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：剧币答名糯加日导师签名：丝坚竺! 日 山东大学硕七学伊论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 重要符号说明v 1 前言1 1 1 弓【言1 1 2 燃料电池特点与分类2 1 2 1 燃料电池的特点2 1 2 2 燃料电池的分类3 1 3 本课题的意义与本文所做的工作5 1 3 1 本课题的研究意义5 1 3 2 本文所做的工作一6 2p e m f c 工作原理及组成7 2 1p e m f c 工作原理7 2 2p e m f c 的基本组成结构与氢源8 2 2 1 质子交换膜8 2 2 2 电极1 0 2 2 3 三合一膜电极组( m e a ) 1 1 2 2 4 电催化剂11 2 2 5 双极板与流场一1 2 2 2 6p e m f c 的氢源1 2 2 3 本章小结1 3 3p e m f c 数学模型综述1 4 3 1p e m f c 机理模型简述1 4 3 1 1 电极模型简述1 5 3 1 2 质子交换膜模型简述1 6 3 1 3 流场模型简述1 6 3 1 4 单电池模型17 3 2p e m f c 经验模型简述18 3 3p e m f c 动态模型1 9 3 3 1 单电池动态模型一1 9 3 3 2 系统动态模型2 0 山东人学硕十。学何论文 3 4 本章小结2 1 4p e m f c 稳态模型的建立2 2 4 1 引言2 2 4 2 模型的基本假设2 2 4 3 模型的建立2 2 4 3 1 燃料电池的能斯特电压2 3 4 3 2 活化过电压2 5 4 3 3 欧姆过电压2 7 4 3 4 浓差过电压2 8 4 3 5 输出电压2 8 4 4p e m f c 仿真模型的建立2 8 4 5 仿真运行与结果分析。3 l 4 5 1 输入输出设计31 4 5 2 仿真结果与分析3 1 4 6 本章小结4 l 5 考虑水传输的p e m f c 动态模型的建立4 2 5 1 引言4 2 5 2 电化学动态模型4 2 5 3 考虑水传输的p e m f c 动态模型模型的建立4 7 5 3 1 质子交换膜水传输模型4 7 5 3 2 阳极控制体模型4 9 5 3 3 阴极控制体模型5 l 5 3 4 电池堆控制体模型5 3 5 4 考虑水传输的p e m f c 动态模型模型的仿真运行与结果分析5 4 5 4 1 模型的s i m u l i n k 仿真实现5 4 5 4 2 模型仿真运行与结果分析5 9 5 4 本章小结一6 9 6 总结与展望7 1 参考文献7 3 致谢7 7 攻读学位期间发表的学术论文7 8 山东大学硕七学位论文 n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t i e n g l i s ha b s t r a c t i i i i m p o r t a n tn o t es y m b o l v 1p r e f a c e l 1 1i n t r o d u c t i o n l 1 2c h a r a c t e r i s t i c sa n dc l a s s i f i c a t i o no fr u e lc e l l s 2 1 2 1c h a r a c t e r i s t i c so ff u e lc e l l s 2 1 2 2c l a s s i f i c a t i o no ff u e lc e l l s 3 1 3s i g n i f i c a n c ea n dt h ew o r ko f t h es u b j e c t 5 1 3 1s i g n i f i c a n c eo f t h es u b j e c t 5 1 ：；2t h ew o r ko f t h es u b j e c t 6 2w o r k i n g p r i n c i p l ea n dc o m p o s i t i o no fp e m f c 7 2 1w o r k i n gp r i n c i p l eo fp e m f c 7 2 2b a s i cc o m p o s i t i o no fp e m f ca n dh y d r o g e nr e s o u r s e 8 2 2 1p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e 8 2 2 2e l e c t r o d e 1 0 2 2 3m e a ll 2 2 4e l e c t r o c a t a l y s t li 2 2 5b i p o l a rp l a t e sa n df l o wf i e l d 1 2 2 2 6h y d r o g e nr e s o u r s eo fp e m f c 1 2 2 3s u m m a r y 1 3 3r e v i e wo fm a t h e m a t i c a im o d e l so fp e m f c 。1 4 ：；1m e c h a n i s mm o d e lo u t l i n e do f p e m f c 1 4 3 1 1m o t o rm o d e lo u t l i n e d 1 5 3 。1 2p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n em o d e lo u t l i n e d 1 6 ：；1 3f l o wm o d e ld e s c r i p t i o n 1 6 ：；1 4d e s c r i p t i o n 17 ：；2e m p i r i c a lm o d e lo u t l i n e do f p e m f c 1 8 3 3d y n a m i cm o d e lo f p e m f c 1 9 3 3 1s i n g l ec e l ld y n a m i cm o d e l 一1 9 3 3 2s y s t e m d y n a m i cm o d e l 2 0 i i i 山东大学硕十学位论文 3 4s u m m a r y 2l 4 b u i l d i n go f p e m f c s t a b l em o d e l 2 2 4 1i n t r o d u c t i o n 2 2 4 2m o d e lh y p o t h e s i s 2 2 4 3b u i l d i n go fm o d e l 2 2 4 3 1n e m s tv o l t a g eo fp e m f c 2 3 4 3 2p o l a r i z a t i o no v e r - v o l t a g e 2 5 4 3 3o h m i co v e r - v o l t a g e 2 7 4 3 4c o n c e n t r a t i o no v e r - v o l t a g e 2 8 4 3 5o u t p u tv o l t a g e 2 8 4 4b u i l d i n go fp e m f cs i m u l a t i o nm o d e l 2 8 4 5s i m u l a t i o nr u na n dr e s u l ta n a l y s i s 3 1 4 5 1i n p u ta n do u t p u td e s i g n 31 4 5 2s i m u l a t i o nr u na n dr e s u l ta n a l y s i s 31 4 6s u m m a r y 4l 5 b u i l d i n go fp e m f cd y n a m i cm o d e lc o n s i d e r i n g w a t e rt r a n s m i s s i o n 4 2 5 1i n t r o d u c t i o n 4 2 5 2e l e c t r o c h e m i c a ld y n a m i cm o d e l 4 2 5 3b u i l d i n go f p e m f c d y n a m i cm o d e lc o n s i d e r i n gw a t e r t r a n s m i s s i o n 4 7 5 3 1p e m f cw a t e rt r a n s m i s s i o nm o d e l 4 7 1 ；：；2a n o d ec o n t r o lv o l u m em o d e l 4 9 5 3 3c a t h o d ec o n t r o lv o l u m em o d e l 5 1 1 ；3 4s t a c kc o n t r o lv o l u m em o d e l 5 3 5 4s i m u l a t i o na n dr e s u l ta n a l y s i so fp e m f cd y n a m i cm o d e l 5 4 5 4 1s i m u l a t i o no ft h em o d e l 5 4 1 ；4 2r e s u l ta n a l y s i so ft h em o d e l 5 9 5 4s u m m a r y 6 9 6s u m m a r ya n do u t l o o k 7 1 r e f e r e n c e s 7 3 a c k n o w l a d g e 7 7 r e s e a r c hp a p e r sd u r i n gt h ed e g r e e 7 7 山东大学硕士学位论文 摘要 随着全球经济的高速发展，人类正面临着日益严峻的能源危机和环境污染形 势，开发环境友好的新能源利用技术已经成为新世纪世界各国必须解决的重大课 题。质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 作为新一代的移动和固定电源技术，已经得到 了世界范围内的高度关注。p e m f c 是一种将蕴含在燃料和氧化剂内的化学能直 接转换成电能的电化学发电装置，因其工作温度低、装置轻便噪音低、发电效率 高、无污染等优点而在车辆动力电源、移动电源及分布式电站等方面具有非常广 阔的应用前景。为了给p e m f c 的实际应用提供理论指导和技术支持，必须对它 进行系统的建模仿真和模拟分析。由于数学模型的精确程度直接影响到仿真模拟 结果的应用价值，因此建立更加精确的数学模型成为课题研究的关键之一。 论文简述了燃料电池的特点、分类和各种燃料电池的发展应用现状；着重介 绍了p e m f c 的工作原理和各个重要组成部件的工作机理和功能；并以此为基础 对燃料电池数学模型的研究进行了综述，确定了课题研究的方向。 以p e m f c 的整体为研究对象，通过经验建模的方法建立了稳态、集总参数 的p e m f c 单电池数学模型。通过仿真得到了p e m f c 单电池的输出特性参数与工 作温度、电流密度之间的三维关系图，并以此为依据进一步分析了工作温度，反 应气压力和电流密度等对于p e m f c 性能的影响。 在稳态集总参数模型、电化学模型和水传输模型的基础上，根据传热、传质 方程和质量、能量守恒等原理建立了一个考虑水传输的非稳态p e m f c 模型。 分析了在反应气压力和电池工作温度恒定的情况下，负载的突变对单独的 p e m f c 电压、功率和效率的影响，指出p e m f c 运行在欧姆极化区域中所对应的 输出功率范围内比较合适，此时的输出特性比较稳定，输出电压波动不大。 考虑了电池的温度、反应气压力和流量等因素，在负载电阻阶跃变化的情况 下，仿真了了电池电压、温度、反应气流量以及压力、功率等的动态响应，并重 点分析各种因素对电池温度的影响。结果显示为了使p e m f c 发挥其最佳性能并 提高使用寿命，必须在合适的温度下运行，需要对p e m f c 进行冷却。 描述了在阶跃负载下水蒸气的压力、流量、膜内水传输速度、质量和相对湿 度的动态响应，分析了响应产生的影响因素和响应变化趋势的原因。由于水传输 l 一 山东大学硕十学位论文 模块的引入，本模型相对于只考虑反应气体传质、传热的非稳态模型来说，该模 型进一步提高了仿真的细致性和精确度，为p e m f c 系统的实时控制和优化设计 提供了一个有力的工具。 关键词：p e m f c 仿真动态水传输s i m u l i n k i i 山东大学硕十学伊论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fg l o b a le c o n o m y , w ea r ef a c i n gt h e i n c r e a s i n g l ys e r i o u se n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l m i o np r o b l e m s i th a s b e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n tt o p i c st od e v e l o pan e we n v i r o n m e n t a l - f r i e n d l ye n e r g y u t i l i z a t i o nt e c h n o l o g yf o rc o u n t r i e si nt h ew o r l d a san e wm o b i l ea n df i x e dp o w e r g e n e r a t i o nt e c h n o l o g y , t h ep r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l ( p e m f c ) h a s r e c e i v e dw o r l d w i d ea t t e n t i o n p e m f ci sad e v i c et h a tc a nd i r e c t l yc o n v e r tt h e c h e m i c a le n e r g yc o n t a i n e di nt h ef u e l sa n do x i d a n tt oe l e c t r i c a le n e r g y i th a sb e e n w i d e l yu s e da sv e h i c l ep o w e ra n dd i s t r i b u t e dp o w e rh o u s e h o l ds o u r c eb e c a u s eo fi t s l o ww o r k i n gt e m p e r a t u r e ，l o wn o i s e ，h i g he f f i c i e n c ya n dz e r oe m i s s i o n i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pap e m f cs y s t e mm o d e la n dc o n d u c ts i m u l a t i o n a n a l y s i si no r d e rt op r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ea n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o ri t sp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s ；o n t h eo t h e rh a n d ，i ti sak e yi s s u et o d e v e l o p am o r ea c c u r a t e m a t h e m a t i c a lm o d e l ，b e c a u s et h ea c c u r a c yo fm a t h e m a t i c a lm o d e ld i r e c t l ya f f e c t st h e a p p l i c a t i o nv a l u eo fs i m u l a t i o nr e s u l t s t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc l a s s i f i c a t i o n so ft h ef u e lc e l l sa r eb r i e f l ys u m m a r i z e d ， t h ep r o s p e c t so ft h ef u t u r ed e v e l o p m e n ta r em e n t i o n e d ，a n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f p e m f ci s b r i e f l yi n t r o d u c e d t h er e s e a r c hd i r e c t i o n i so r i e n t e db a s e do nt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rp e m f c a s t e a d y , l u m p e d p a r a m e t e rm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rs i n g l ec e l li se s t a b l i s h e db y e m p i r i c a lm o d e l i n gm e t h o d t h et h r e e d i m e n s i o n a lr e l a t i o n s h i pd i a g r a mo fw o r k i n g t e m p e r a t u r e ，c u r r e n td e n s i t ya n dt h eo u t p u tp a r a m e t e ri sa l s oi n v e s t i g a t e d a c c o r d i n g t ot h ed i a g r a m ，t h ei n f l u e n c et h a tw o r k i n gp a r a m e t e r s ( s u c ha sr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ， g a sp r e s s u r ea n dc u r r e n td e n s i t y ) m a d eo np e m f cp e r f o r m a n c ei sf u r t h e ra n a l y z e d ap e m f cm o d e lc o n s i d e r i n gt h eu n s t e a d yw a t e rt r a n s m i s s i o ni se s t a b l i s h e db a s e d o nt h es t e a d y - s t a t el u m p e d - p a r a m e t e rm o d e l ，e l e c t r o c h e m i c a lm o d e la n dw a t e r t r a n s p o r tm o d e la c c o r d i n gt op r i n c i p l e o fc o n s e r v a t i o no fe n e r g y , m a s sa n d m o m e n t u m i i i 山东大学硕十学位论文 t h ee f f e c t so fl o a ds t e pc h a n g eo no m p mv o l t a g e ，p o w e ra n de f f i c i e n c ya r ea l s o i n v e s t i g a t e du n d e rt h eu n i f o r mp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ， w ef o u n dt h a tt h ep o w e ro m p mr a n g ew a sm o r ea p p r o p r i a t ea n ds t a b l ew h e np e m f c w o r k e di no h m p o l a r i z a t i o na r e a c o n s i d e r i n gs o m e f a c t o r so fc e l lt e m p e r a t u r e ，g a sp r e s s u r ea n dt h ef l o w , d y n a m i c r e s p o n s eo ft h ev a r i o u so u t p u tp a r a m e t e r ss u c ha st h eo u t p u tv o l t a g e ，t e m p e r a t u r e ， p r e s s u r ea n df l u xo fr e a c t i o ni sa n a l y z e d w ef o u n dt h a ti t i sn e c e s s a r yt oc o o l p e m f ci no r d e rt om a k et h eb e s tp e r f o r m a n c ea n di m p r o v et h es e r v i c el i f e t h ei m p a c to fp r e s s u r e ，f l o w , m e m b r a n ew a t e rt r a n s m i s s i o ns p e e d ，q u a l i t ya n d t h er e l a t i v eh u m i d i t yo nt h ed y n a m i cr e s p o n s ei sd e s c r i b e d ，a n dt h er e a s o no fr e l a t i v e h u m i d i t yo nt h ed y n a m i cr e s p o n s eu n d e rl o a ds t e pc o n d i t i o ni sa n a l y z e d b e c a u s eo f t h e i n s t r u c t i o no ft h ew a t e rt r a n s m i s s i o nm o d e l ，o u rm o d e ld e v e l o p e di nt h i s d i s s e r t a t i o nh a sm o r ea c c u r a c yc o m p a r e dt oo t h e ru n s t e a d ya n do n l yc o n s i d e r i n g r e a c t i o ng a sh e a ta n dm a s st r a n s f e rm o d e l s a n di ti sav e r yp o w e r f u lt o o lt ot h e r e a l t i m ec o n t r o la n do p t i m i z a t i o nd e s i g no fp e m f c k e y w o r d s ：p e m f c s i m u l a t i o n d y n a m i c w a t e rt r a n s m i s s i o ns i m u l i n k i v 山东大学硕士学伊论文 重要符号说明 膜有效面积面积( c m 2 ) 电容( f ) 氢气的定压比热( o r 堙k ) 水蒸气的定压比热( 堙k ) 氮气的定压比热( , 堙k ) 氧气的定压比热( 3 堙k ) 氢气的定容比热( 堙k ) 水蒸气的定容比热( , 堙k ) 氮气的定容比热( 堙k ) 氧气的定容比热( d 堙k ) 可逆电动势( v ) 能斯特电压( v ) 法拉第常数( 9 6 4 8 5 c m 0 1 ) g i b b s 自由能的变化( j ) 电流( a ) 交换电流密度( a c m 2 ) 电流密度( a c m 2 ) 燃料电池单池个数 水蒸气扩散速率( m o l t o _ 2 s 一) 水蒸气渗透速率( m o l m 。2 j 。) 燃料电池的功率( w ) 阳极控制体中的压力( a t m ) 阴极控制体中的压力( a t m ) v 啦 啄 q 啦 以 心 吼 删 ， 扩 怫 p p p p v v v v h g ， r a ，6 山 冶 彳 c q q q q q q q e f 衄 ， 乇 ， 虬 虬 p 匕 圪 山东人学硕十学位论文 氢气的分压力( a t m ) 阳极水蒸气的分压力( a t m ) 阴极水蒸气的分压力( a t m ) 氧气的分压力( a t m ) 氮气的分压力( a t m ) 通用气体常数( j m o l k ) 内部电阻阻抗( q - c m 2 ) 阴极气道温度( k ) 阳极气道温度( k ) 燃料电池堆温度( k ) 质子交换膜的厚度( m ) 燃料电池堆输出电压( v ) 阳极气道体积( m 3 ) 阴极气道体积( m 3 ) 单电池的电压( v ) 阳极入口处氢气的质量流量( k g s ) 阳极出口处氢气的质量流量( k g s ) 阳极入口处水蒸气的质量流量( k g s ) 阳极出口处水蒸气的质量流量( k g s ) 阴极入口处水蒸气的质量流量( k 幽) 阴极出口处水蒸气的质量流量( k e d s ) 阴极入口处氧气的质量流量( k g s ) 觚 ， 咐 孤 觚 。 蛳 卧 血 舢 叩 嘶 血 m m 肌 m m 尺 矗 珞 眠 眠 阢 陈 瞧 吼 山东大学硕士学何论文 ：，。m 眠：，i i i 甄：舢 7 7 缸 7 7 c o n r l o l m 仃m p m 舢 a w ，册 a w a w ，_ i ，l 以 以 s a c t m m i s i 如口i 孳。，专2 ，专3 ，考4多l ，言2 ，吉3 多4 阴极出口处氧气的质量流量( k g s ) 阴极a , n 处氮气的质量流量( k g s ) 阴极出口处氮气的质量流量( k g s ) 活化过电压( v ) 浓差过电压( v ) 欧姆过电压( v ) 质子交换膜传导率( q c m ) 。1 质子交换膜无水密度( k g m 3 ) 阳极水活性 阴极水活性 质子交换膜水活性 阳极水含量 阴极水含量 膜中水含量 燃料电池实际效率 燃料电池理想效率 计算活化过电压的经验系数 v i i 山东大学硕+ 学位论文 v i i i 山东大学硕十学位论文 1 前言 1 1 引言 随着科技的发展和社会的进步，人类社会对于能源的需求和依赖越来越大， 能源的消耗也在急剧的增加，而且常规能源储量有限。目前，由于化石燃料大量 使用所导致的酸性气体和二氧化碳等温室气体的大量排放，全球生态和大气层正 面临严峻的环境形势。经济的高速发展使得能源危机和环境污染已经成为2 1 世 纪全球发展的关键词，开发环境友好的新能源为我们提供了一种缓解经济发展与 能源环境之间矛盾的新选择。 近年来，对燃料电池技术的研究引起了人们的广泛兴趣。其在许多的商业领 域，都有广泛的应用前景，特别是目前在固定电源和移动电源的应用上，取得了 长足的进步。燃料电池( f u e lc e l l ) 是一种将储存在燃料中的化学能通过电极反应 直接转换成电能的装置，其能量转换率高达6 0 8 0 ，实际使用的效率是普通 内燃机的2 - - 3 倍。由此可见，燃料电池是集能源、化工、材料与自动化控制等 新技术为一体的，具有高效与洁净特色的新电源。 燃料电池种类很多，根据使用电解质的不同，可分为质子交换膜燃料电池 ( p e m f c ，p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l ) 、碱性燃料电池( a f c ，a l k a l i n ef u e l c e l l ) 、磷酸燃料电池( p a f c ，p h o s p h o r o u sa c i df u e lc e l l ) 、熔融碳酸盐燃料电池 ( m c f c ，m o l t e nc a r b o n a t ef u e lc e l l ) 、固体氧化物燃料电池( s o f c ，s o l i do x i d e f u e lc e l l ) 和直接甲醇燃料电池( d m f c ，d i r e c tm e t h a n o lf u e lc e l l ) 。其中，质子交 换膜燃料电池( p e m f c ) 有如下优点：运行温度、压力低；运行噪声低，可靠性 高，使用灵活、维修方便【3 1 ；低排放、高效率；生成物是水，无环境污染问题； 模块化、具有大规模生产能力。 目前包括通用汽车( g m ) 、丰田汽车( t o y o t a ) 、戴姆勒克莱斯勒 ( d a i m l e r - c h r y s l e r ) 等在内的世界上许多著名汽车公司，正在竞相开发p e m f c 电动汽车，力争率先实现p e m f c 的商业化【4 】。作为新一代电动汽车动力源、便 携式小型电源、家庭用热电联产系统等受到各国政府和能源、汽车、家电等企业 的广泛关注、高度重视和大力支持，p e m f c 有望成为目前汽车动力的最有竞争 力的动力源之一【5 】。 山东大学硕十学位论文 1 2 燃料电池特点与分类 1 2 1 燃料电池的特点 燃料电池( f u e lc e l l ，f c ) 是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效 地、环境友好地转化为电能的发电装置。燃料电池本身只决定输出功率的大小， 而所储能量则由储存在储罐内的燃料与氧化剂的量决定 6 1 。燃料电池之所以受到 世人的广泛瞩目，是因为它具有其它能量发生装置不可比拟的优越性【7 】： 1 能量转化效率高 燃料电池发电不通过热机过程，没有中间环节的能量损失，理论上它的发电 效率可达8 5 - - 9 0 ，但实际上由于受各种极化限制，目前磷酸燃料电池发电 效率目前接近4 6 ，熔融碳酸盐燃料电池的发电效率可超过6 0 ，固体氧化物 燃料电池的效率更高。燃料电池的另一个特点是在其发电的同时可产生热水和蒸 汽。热电联供时，能量总利用率可高达8 0 以上【引。 2 机动灵活 燃料电池发电装置由许多基本单元组成。一个基本单元是两个电极夹一个电 解质板，基本单元组装起来就构成一个电池组，再将电池组集合起来就形成发电 站。可以根据不同的需要灵活地组装成不同规模的燃料电池发电站。燃料电池的 基本单元可按照设计标准预先进行大规模生产，所以燃料电池发电站的建设成本 低、周期短。 3 燃料多样 虽然燃料电池的工作物质主要是氢，但它可用的燃料有煤气、沼气、天然气 等气体燃料，甲醇、轻油、柴油等液体燃料，甚至包括洁净煤。根据实际情况， 可以因地制宜地使用不同的燃料或将不同燃料进行组合使用，达到就地取材、节 省资金的目的。 4 可靠性高 燃料电池的特点还在于具有高度的可靠性。主要体现在：燃料电池发电装置 是由单个电池堆叠成电池组构成的。单个电池串连的电池组并联后可以确定整个 发电装置的规模。这些电池组合是模块结构，构成发电系统运转和维护的基本单 元，维护十分方便。 燃料电池的高可靠性还体现在：即使处于额定功率以上过载运行，或低于额 2 山东大学硕士学位论文 定功率运行，它都能承受而效率变化不大。当负载有变动时，它的响应速度也快。 与燃气涡轮机循环系统或内燃机相比，燃料电池的转动部件很少。因而系统 更加安全可靠。燃料电池从未发生过像燃气涡轮机循环系统或内燃机因为转动部 件失灵而发生恶性事故。 5 环境友好 燃料电池的生成物主要是水，基本上不排放有害气体，所以它是一种非常清 洁的能源。另外，燃料电池是静止发电，本身无机械传动装置，只是在控制系统 等辅助装置中有运动部件，因而它工作时振动很小，噪音很低。由于燃料电池的 燃料气在反应前必须脱除硫及其化合物，而且燃料电池是按电化学原理发电，不 经过热机的燃烧过程，所以它几乎不排放氮氧化物和硫氧化物，减少了对大气的 污染。当燃料电池以纯氢为燃料时，它的化学反应产物仅为水，从根本上消除了 氮氧化物、硫氧化物及二氧化碳等的排放。 燃料电池作为一种新型技术，还有许多应用技术问题困扰着燃料电池的商业 化进程，主要是成本比较高，寿命不够长，功率比较小，经济效益也不如其他发 电方式。因此，只有明显降低成本，进一步提高寿命，燃料电池才会有竞争力。 1 2 2 燃料电池的分类 燃料电池按照不同的分类标准，有不同的名称。按工作温度来划分，有低温、 中温、高温和超高温燃料电池。但目前最常用的方法还是以燃料电池中最重要的 组成部分即电解质来划分。电解质的类型决定了燃料电池的工作温度、电极上所 采用的催化剂以及发生反应的化学物质。按电解质划分，燃料电池大致可分为五 类：碱性燃料电池( a f c ) 、磷酸型燃料电池( p a f c ) 、固体氧化物燃料