燃料电池在车船飞航运载工具中的应用

本节将会阐述燃料电池的电力应用，这些应用提高了电网的性能和灵活性。本节也会讨论分布式发电和热电联产系统相关的问题，但是重点放在燃料电池在电网中的应用。另外燃料电池在发电站系统和住宅及商用建筑的应用也会得到阐述，同时详细研究系统与电网的协调运行这一主要挑战性问题及其相关的电力电子问题。

9.6.1.1 分布式发电装置和热电联产

随着电力传输和配电成本的提高，电力公司正考虑选择现场发电和分布式发电，最可行的选择之一是选择燃料电池实现这一目的。进一步的研究表明燃料电池的使用提高了整体系统效率。而且，由于燃料电池无排放也就不会污染环境。本节将会讨论各种实现上述应用目的的燃料电池系统，它们各自的劣势和优势也会分别得到讨论。

燃料电池通过电力电子转换器接入电网。这些系统一般使用天然气，其在大部分负荷地区都可获取，这是分布式发电最有前景的原因之一。这些发电单元产生的废热可以重新回收，以做发热之用。另外，如图9-24所示，由于采用燃料电池废热和燃尽气体驱动燃气轮机，从而进一步提高了整体效率。在这个混合系统中，将燃料电池废气供给涡轮发电机单元，涡轮发电机的一般功率为15MW。由于在涡轮机中没有燃烧，也就不会产生污染物^［27］。

如图9-24所示，压缩空气和燃料作为燃料电池的输入，相比一般气压的空气和燃料，系统使用压缩空气和燃料的效率要高。而如果应用于热电联产，压缩SOFC更有优势。选择SOFC的主要原因是其较高的运行温度。因此获得的废气质量也会相对较高。

图9-24 燃料电池混合系统的典型框图

混合燃料电池系统通过使用压缩燃料和气体涡轮机，提高了效率并降低了排放。效率的额外提高是通过使用燃料电池的废热驱动非燃烧气体涡轮机。这些技术的典型应用主要是在分布式发电装置方面，电力公司可以对特定负载分配适合的单元，以减少电力传输的成本。

SOFC、PAFC、MCFC和PEM燃料电池是最为常见的燃料电池，人们同时将其应用于电力领域。SOFC是目前为止热电联产领域最合适的选择。原因主要是基于这样一个事实：燃料电池的运行温度较高，因此其燃料处理系统也就相对简单^［28］。

天然气行业已经选用PAFC作为小型热电联产应用，电力公司也已经将这些燃料电池作为大容量电站之用。这些燃料电池的使用寿命远高于基于常规发电机的电力系统^［28］。它们同时被考虑应用于整个地区的供暖和制冷。

相比PAFC，MCFC的使用可以获得更高的效率。然而由于MCFC相关技术有太多地方有待改进，因此不太容易商业化。一旦这种燃料电池的成本降低，MCFC将比PAFC获得更广泛的应用，这是由于MCFC的废气质量相比PAFC更高^［28］。

PEM燃料电池也被认为是应用于分布式发电装置的有力竞争者，同时被认为是住房建筑最好的选择。使用PEMFC应用于分布式发电，所生产电力可以用来作为后备电源或者峰值电源^［28］。现在正在研究如何降低这些系统的整体成本，从而使得它们可以取代现有技术以应用于分布式发电装置。

9.6.1.2 建筑物领域的应用

住房和商用建筑采用基于燃料电池的发电系统，其主要优势是节能。这些应用一般可以满足建筑的电气和供暖负载要求。通过使用这些系统提供电力和热能，建筑的能量使用率可以显著提高，因此建筑的总体能源消耗也就得到降低。用于建筑物供暖和制冷的传统设备与燃料电池系统有机结合，将会形成热电联产系统^［30］。

一般，PEM被认为是供给建筑电力负荷和热负荷的最佳选择。目前，大部分建筑电气项目方面的努力都集中在商用建筑而非住房建筑。即使这样，仍有部分正在实施的项目采用这种技术对住房建筑供电。(www.xing528.com)

在设计建筑的燃料电池时，需要特别牢记的是两点热负荷和电力负荷比，以及用电容量因数。热—电比是建筑物的热负荷与电力负荷之比。如果比值低，则用作供暖目的的废热就少。用电容量因数是建筑物的平均用电量与持续峰值负载用电量的比值^［30］。这些参数对建设成本影响很大，因此在热电联产应用中也就特别需要关注。另外，还需考虑将这些系统体积缩小，使得系统占用较小的空间以便安置于建筑物之内。

PEM燃料电池由于成本低、体积易变，因此应用于建筑物发电非常适合。然而，除了燃料电池，系统也会包含一些蓄电池组。这些蓄电池组一般包括铅酸电池，以提供峰值功率。

以上讨论可以清晰地看出不同类型的燃料电池在应用于建筑物领域时有不同的特性和特点。因此，应依据所讨论问题选择最适合的燃料电池系统。使用特定的燃料电池系统满足负载需求是可行的。

9.6.1.3 典型电力电子转换器电路

基于燃料电池的发电系统的设计不同于便携装置或运输工具领域系统的设计。这主要是因为在电力领域，输出单元拥有额外的DC/AC逆变器，将DC电压转换为一定大小和频率的AC电压，以满足应用需求或AC负载的要求。图9-25描述了典型的燃料电池应用中的电力电子接口。这个系统的输出电源类似于不间断电源（UPS），惟一的区别是燃料电池的内置发电容量的不同^［31］。

图9-25 基于燃料电池的发电系统的典型框图

在设计电力应用的燃料电池逆变器时，必须考虑接口问题。燃料电池系统的设计必须保证其既可以并网运行又可以单机运行。而且，保护问题也必须得到重视，如采用一定的静电继电器做故障检测和排除。同时需要考虑的还有电能质量问题，如总谐波失真（THD）等。

图9-25中，电力电子转换器的主要作用是将燃料电池输出的DC电压转换为合适的AC电压，以便直接连接电网或者电气负载。在图9-25中，燃料电池输出与DC/DC转换器连接，进而通过转换器调整DC电压。DC/DC转换器一般是PWMBoost斩波器。同时采用额外的滤波器进一步提高电能质量。DC/AC逆变器与DC母线连接，将DC转换为AC。逆变器的控制一般通过PWM技术实现。一般采用DSPs或者微处理器实现逆变器的控制^［32］。

图9-25系统的最后一个单元是变压器，它将电压转化为一个合适的水平，以便燃料电池与电网连接。控制单元得到来自电网的一个反馈，进而控制逆变器开关频率。以便控制电力输出电压在一个合适的水平进行并网。

如图9-26所示，系统通过采用多级逆变器，提高电网的接入电压。这些逆变器有一个特殊的结构，可以产生低谐波的高压^［33］。通过使用这些逆变器，就不再需要输出单元的变压器。这是图9-26的主要优势，由于变压器的成本较高并且体积大，导致系统的整体体积和重量都增加。然而为了电气隔离，高效率、小体积以及轻型高频变压器也有可能应用于DC/DC转换器或者DC/AC逆变器中。

图9-26 燃料电池电泳应用中的典型多级逆变器

采用级联的H桥多级逆变器在参考文献［33］得到阐述。每个H桥需要各自的DC电源。这些DC电源在装置与燃料电池连接时，必须达到瞬时工作。因此，这些燃料电池的运行如同H桥的DC电源。在这个拓扑结构中，可以选择合适的导通角以减低电压的THD^［33］。在参考文献［33］中，每个逆变器产生不同电平的输出电压。它们分别是＋U_dc、0和-U_dc。通过合适的开关组合，可以很容易获得这些输出电压。冗余电压的获得也是可能的，因此也就提高了系统的可靠性。正是基于这个原因，即使某个水平电压出现故障，逆变器仍可以工作。