CAT蓄电池燃料电池辅佐电池介绍

FCs（燃料电池）进一步被评价，由于基于FCs的CCHP（冷热电联产）体系对咱们正在研讨的提出的CCHP体系具有兴趣。依据[67, 68]，在1839年，威廉·格罗夫提出了燃料电池的概念，并将其命名为“气体伏打电池”，并在1842年通知了迈克尔·法拉第。如[67–92]所述，燃料电池是能够从化学能继续发生电能的电化学设备，并且在进程中会发生水和热作为副产品，条件是它们一直装备燃料（H2）和反响气体（O2），在PEM燃料电池的情况下。这个进程如图51所示，并由以下电化学方程[69]化学表示：

Fig. 51:

PEM燃料电池工作原理概述。

(1)

依据[67-69, 72]，基于质子交流膜的氢燃料电池（PEM）是清洁和可再生动力，它们正在逐步成为各种用处的替代动力。但是，如[69]中详细阐明并在图52中描绘的那样，燃料电池一般容易遭到一种称为“燃料饥饿”现象的影响：氢气(H2)和/或氧气(O2)流量的推迟或缺少，这会导致燃料电池在负载时难以应对瞬态电流需求，然后下降燃料电池的电压。依据[73]的研讨，即便瞬间发生燃料（H2）/O2饥饿也是不允许的，由于它将导致燃料电池电催化剂严重且持久的损坏，并进一步下降其功率/动力供应的牢靠性、才能和耐久性以及功率。

Fig. 52:

FC燃料饥饿现象。

在[74]中研讨了燃料电池(FC)，其功率密度较低但能量密度较高；因而，燃料电池无法（i）供给当即切换负载所需的高电功率（例如，当混合动力电动汽车（HEV）发动时），（ii）在负载电流发生急剧改变时敏捷反响（例如，当混合动力电动汽车加快时[75,76]），以及（iii）吸收再生功率（例如，当混合动力电动汽车减速或刹车时）。因而，需求一个额定的设备来存储能量（例如，可充电电池）和或具有更快动态呼应的电源（例如，超级电容组），结合电力和能量转换设备和能量管理体系，以辅佐燃料电池[77-79]。因而，现已做出了各种尽力来处理燃料电池燃料耗尽这一关键问题。鉴于此，以下是一些技能的摘要，这些技能构成了但不限于所留意到的六个计划；即（i）带有燃料流率操控的燃料电池辅佐，（ii）带电池的燃料电池辅佐，（iii）带超电容/超级电容（UC/SC）的燃料电池辅佐，（iv）带电池和SC/UC的燃料电池辅佐，（v）带CombiLit的燃料电池辅佐，以及（vi）带PV和SC/UC的燃料电池辅佐。

2.1 燃料电池辅佐燃料流量操控

这种办法，如[69, 80]中所述，需求连续操控燃料氢气（H2）和反响气体氧气（O2）的流速，以盯梢燃料电池电流的改变，通过操控燃料电池的电流梯度，或通过保持恒定的燃料流速来保证燃料电池一直有满足的燃料流。但是，这种办法功率不高，由于燃料流一般在最高值时保持不变。图53展示了这种办法。

Fig. 53:

FC辅佐燃料流率操控。

2.2 燃料电池辅佐电池

一般情况下，电池（如锂离子电池、镍氢电池、铅酸电池等）的功率密度[74]相对于燃料电池来说更高。因而，当负载呈现高瞬态电流需求时，电池能够快速反响并供给峰值功率，然后帮助燃料电池避免因“燃料饥饿”而导致的迟缓现象。此外，燃料电池只能供给电能，而不能贮存电能。因而，在再生制动进程中，电池还供给了储能的功能[81]。但是，电池充电时刻较长，其运用寿数取决于其充电状态和放电深度[74]：充电和放电速率越快，电池寿数缩短的可能性就越大。图54展示了这种辅佐技能。

Fig. 54:

燃料电池辅佐电池。

2.3 燃料电池辅佐超级电容器（UC）或超电容（SC）

超级电容器或超电容器的功率密度最高，瞬态呼应也最好，与燃料电池和电池相比。依据[82]，因而它们是高电流运用的首选储能设备，由于它们能够在短时刻内快速放电或充电。这种非常快速的瞬态呼应使得超电容成为最适合帮助燃料电池绕过‘燃料饥饿’初始现象的设备[74]。这种办法如图55所示。

Fig. 55:

燃料电池辅佐超级电容器或超电容。

2.4 FC 辅佐电池和超级电容器或超电容

在这种办法中，电池和超级电容器或电容电池用于为短时刻内的峰值功率需求供给电力，例如在HEV加快进程中，其间牢靠的加快需求需求高能量和高功率密度[81]。如图56所示，一起具有超级电容器或电容电池和电池是至关重要的，由于相对而言，超级电容器或电容电池具有最低的能量密度但最高的功率密度，而电池具有适度的能量和功率密度[83]；因而，这两种计划的运用有助于燃料电池在需求一起峰值功率和能量时发挥作用。此外，电池还供给了动力贮存。

Fig. 56:

燃料电池辅佐电池和超级电容器或超电容。

2.5 FC辅佐CombiLit治疗

依据[84]，CombiLit是一种复合设备，通过在单元中兼并峰值功率密度超级电容器和能量密度高的锂离子电池的电极来存储能量。这种设置，加上燃料电池（FC），能够适应以供给改变的峰值功率放电水平、增加储能、长循环寿数和低成本。其原理与图56中的原理相似。

2.6 燃料电池辅佐太阳能电池和超级电容器

在[85]中，太阳能电池（光伏阵列）取代了电池动力。动力源（燃料电池和太阳能电池）具有高能量密度，而电源（超级电容器或蓄电池）则具有高功率密度。电源在瞬态条件下供给大电流，并在需求较低时从核心动力源从头充电。这种计划的缺陷在于太阳能电池只能在有阳光的情况下供给动力。图57a和b分别显现了燃料电池、太阳能电池和超级电容器的设置和动态呼应。

Fig. 57:

FC辅佐太阳能电池和超级电容器。（a）设置和（b）动态呼应。

表4总结了各种燃料电池中采用的燃料饥饿辅佐技能。

FC辅佐技能的比较与总结

FCs辅佐计划	亮点、优势和劣势
燃料流率操控 [69, 80]	氢气和氧气不断遭到操控以盯梢燃料电池电流的改变，留意燃料电池电流的斜率并维持燃料的恒定流速，以保证燃料电池在任何时候都有满足的燃料流量。虽然这种办法能够保证燃料电池不会缺少氢气和氧气，但功率并不高，由于燃料流量一般是安稳的，尤其是在最高值时。
电池（例如锂离子）[73, 81]	电池的比功率相对于燃料电池更高，因而呼应敏捷，并且在有瞬态电流时能够供给峰值功率。与燃料电池不同，电池能够贮存能量。相反，电池需求时刻来充电，并且在高电流运用情况下，假如快速频繁地放电和充电，将会导致电池功能下降。
超级电容器（UC）或超电容（SC）[73, 82]	超级电容器在瞬态呼应和功率密度方面都比电池和燃料电池快得多；因而，它们是最理想的峰值电流运用能量存储设备，由于它们充电敏捷，有助于规避燃料电池的缓慢速度，但它们的能量密度最低（放电最快）。
电池和SC或UC [73, 81, 83]	最适合的FC辅佐技能是这个，由于它在需求峰值功率和最大能量时一起运用了两种辅佐手法。缺陷是它由于组件较多而有点贵重。
CombiLit [ 84 ]	CombiLit是一种复合设备，通过在同一单元中兼并高能量密度锂离子电池的电极和峰值功率密度来存储能量。呈现毛病时需求贵重的维修费用。
太阳能电池和SC [ 85 ]	太阳能电池具有最大的能量密度，超级电容器在瞬态进程中为燃料电池供给峰值功率密度辅佐。但是，需求继续的阳光照耀，呼应功能取决于超级电容器。

3种FC类型及其比较

依据[67, 68, 86-94]，燃料电池能够分为七种类型（除了直接甲醇燃料电池，由于它实际上是一种质子交流膜燃料电池，由于它的电解液仍然是质子交流膜，只是它运用甲醇作为燃料）。表5比较了这七种最常用的燃料电池及其特性。

FC类型比较与总结

FC型	电解液	反响	长处	缺陷
质子交流膜燃料电池（PEM）[67, 68, 72, 86, 90]	固体有机聚合物聚全氟磺酸 耐温规模：50-100摄氏度；聚苯咪唑（PBI）高温质子交流膜 耐温规模：100-200摄氏度	阳极：4H₂ → 8H⁺ + 8e⁻ 阴极：2O₂ + 8H⁺ + 8e⁻ → 4H₂O 电池：4H₂ + 2O₂ → 4H₂O	• 固体电解质下降衰减和保护需求 • 低温至中温 • 快速发动（LT-PEM） • 无影响或影响极小 • 45%的功率功率	• 低温下需求贵重的催化剂（铂） • 对燃料和污染物（如CO）的反响高 • HT-PEM耐久性差 • LT-PEM水淹
碱性燃料电池（AFC）[67, 68, 87-90]	KOH水溶液浸渍在基质中，温度：60-200摄氏度	阳极：2H2 + 4(OH)- → 4H2O + 4e- 阴极：O2 + 2H2O + 4e- → 4(OH)- 电池：2H2 + O2 → 2H2O	• 在碱性电解液中阴极反响更快；因而，履行功率高 • 超越55%的功率功率	• 从燃料中提取CO2非常贵重，需求空气流，因而容易发生CO2排放 • 需求纯氢气
磷酸燃料电池（PAFC）[67, 68, 88–90]	液体磷酸浇铸在基质中 温度：175-200摄氏度	阳极：2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻ 阴极：O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O 电池：2H₂ + O₂ → 2H₂O	• 假如运用CHP体系，功率约为85% • 功率功率约为40% • 运用纯度较低的氢气燃料	• 需求贵重的铂催化剂 • 低功率和电流 • 体积大且重 • 强腐蚀性电解液
熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）[67, 68, 87-90]	液体锂或钠或钾碳酸盐溶液浸渍在基质中 温度：600-1000摄氏度	阳极：H2 + CO3^2- → H2O + CO2 + 2e- 阴极：0.5O2 + CO2 + 2e- → CO3^2- 电池：H2 + 0.5O2 + CO2 → H2O + CO2 (CO2在阳极发生并在阴极运用)	• 高温条件下无需运用贵重的催化剂 • 灵活运用其他燃料的才能 • 超越50%的功率功率	• 高温加快FC组件的锈蚀和退化 • 发动时刻长 • 贵重的热管理
固体氧化物燃料电池（SOFC）[67, 68, 86, 88, 90]	固体锆氧化物，少量掺入氧化钇（Y₂O₃），温度：600-1000摄氏度	阳极：H₂ + O²⁻ → H₂O + 2e⁻ 阴极：1/2O₂ + 2e⁻ → O²⁻ 电池：H₂ + 1/2O₂ → H₂O	• 能够运用污染燃料 • 与PEM相似，具有固体电解质的长处 • 超越50%的功率功率	• 高温加快FC部件的腐化和损坏 • 发动缓慢 • 在约600°C时功能较差
植物微生物燃料电池（PMFC）[91, 92]	不同土壤类型、湿地沉积物、根际沉积物、微生物、堆肥环境温度：±20°C	阳极：(CH₂O)₆ + 6H₂O → 6CO₂ + 24H⁺ + 24e⁻ 阴极：6O₂ + 24e⁻ + 24H⁺ → 12H₂O 电池反响：6H₂O + 6CO₂ → 6O₂ + (CH₂O)₆	• 在废水处理中，生态友好型有机物（如BN2、NH4等）的去除，植物生物感应，用于湿地/农业土地以生成电力。	• 生物电能生成相对较低 • 定时保护替换植物 • 自然运转条件需求调查 • 光合作用依赖
再生式或可逆燃料电池[93, 94]	它能够是O2-导电的，也能够是质子（H+）导电的（不同的类型仅取决于运用的燃料电池电解液）。	燃料电池形式：能够是上述任何一种燃料电池。电解形式：阳极：O2- → 0.5O2 + 2e- 阴极：H2O + 2e- → H2 + O2- 电池：H2O → 0.5O2 + H2	• 可依据目标运用的需求在两种操作形式下高效运用 • 在太空运用中更可继续，并可重复利用	• 结构稍微杂乱一些，组件也更多，可能会更粗笨 • 由于涉及额定的组件和流程，因而成本较高