便携设备中的应用：为车船飞航运输电力系统

燃料电池的部分应用在前面部分已经得到阐述。以下章节将介绍燃料电池的其他应用，如便携式设备中的应用、电信设备电源供给、水下运输工具以及微能源。下面我们将对这些应用进行讨论，同时也会解释所使用燃料电池的类型，满足这些特殊应用的特殊要求和电力电子接口等。

便携式应用和固定电源应用之间有明显的区别。便携电源要求小体积以及轻型以便于移动。考虑到这一点，它必须拥有高能量密度。而且这些拥有几百瓦输出的电源设计必须满足便携、使用寿命长、起动快、成本低以及安全等要求^［34］。

当考虑到与外界设备的协调工作时，电源必须可以在各种环境下工作。另外，它必须低噪声且不排放有害气体，如NO_X和SO_X，并且电源结构必须坚固同时拥有高效率。

如前所述，燃料电池正被考虑作为满足以上要求的最佳选择之一。在以下章节中，将会讨论各种燃料电池的类型和特性。

最近几年，人们正努力使这些使用燃料电池的便携电源装置商业化。对于便携电源的多种要求，现在有三种燃料电池可以满足：磷酸燃料电池（PAFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）。这里将讨论每种燃料电池在便携式装置中的应用。

磷酸燃料电池（PAFC）一般适用于200～300W的便携式设备。它的运行温度为200℃而燃料供应采用储氢合金。基于PAFC的典型电源设备如图9-27所示，整个系统包括空气冷却PAFC电池组、燃料源和DC/DC转换器^［34］。储氢合金气缸提供纯氢气燃料供给PAFC的阳极。这种便携电源装置可以提供200W的电力，时间超过1h。DC/DC转换器调节输出电压并通过隔离负载变化，以保护燃料电池^［34］。

图9-27 基于PAFC的便携电源装置的典型框图

系统运行首先打开连接MH气缸和燃料电池的真空管。燃料电池完成加热大约需要10min。燃料供给的量可以通过调节器进行调节，如图9-27所示。

生产这样的燃料电池，生产商需要进行很多测试，以保证燃料电池在各种环境下可以正常工作。工作极限可以通过测试电源在不同工作状况下得到。生产商进行的测试包括各种启动及关机测试、高温或低温下的诱发测试、电压波动和燃料不足等测试。而且生产商还进行燃料流速的测试^［35］。

在基于PAFC的各种便携装置的电源设计和测试中，人们发现PAFC的起动时间较长：大约10min，而且废热的处理相比其他燃料电池要复杂。

正如前面章节所解释，相比其他燃料电池，直接甲醇燃料电池（DMFC）结构简单。对于便携式应用，DMFC的液态版也被广泛看好。系统反应如下：阳极甲醇水溶液发生氧化反应生成CO₂，阴极释放出H₂O^［36］。因此使用DMFC，解决了许多PAFC相关问题。而且，由于不使用酸溶液，也不用考虑腐蚀问题。这些燃料电池的运行温度在60～100℃的相对较低范围，这种燃料电池的性能一般由燃油浓度决定^［36］。

使用DMFC便携设备的功率一般在50～100W之间，而且正考虑应用于军事领域^［37］。另外，DMFC的性能由于使用多种选进技术得到进一步的提高，如膜组件、高效催化剂和优化电极结构^［37］。因此这种燃料的能量密度已经得到较大提升，一般在100～300mW/sq.m。

应用于便携式装置领域的典型DMFC系统如图9-28所示。如图9-28所描述，高浓度甲醇通过混合单元得到稀释甲醇，然后供应给阳极，因此燃料电池的最佳运行水平依赖于甲醇溶液的浓度。系统的空气通过鼓风机或者压缩机供应^［37］。同样，生产商也会进行很多测试，包括能量密度、效率、暂态负载下的性能以及运行和储存中的长期稳定性^［37］。

图9-28 典型的基于DMFC的便携式应用

如前所述，PAFC的运行温度为200℃，导致加热时间过长。这是便携式电源最不希望的特性。PEMFC恰好与这个相反，可以在100℃这样较低的温度下工作，这个相对低的运行温度导致起动时间缩短。而且，PEMFC的能量密度更高；因此，系统的体积和重量也就很小^［38］。

典型PEMFC的便携电源系统可以提供1kW的AC或DC电压。而且，起动时间大约为1min，这对大部分应用来说都是可行的。PEMFC电源装置的电路图如图9-29所示。

如图9-29所描述，系统主要包括燃料单元、电力单元和控制单元。气体通过气缸供应给阳极，空气通过鼓风机或风扇供应给阴极^［38］。电池产生的DC电压通过电力电子转换器转换为要求的DC或者AC电压。系统同时采用蓄电池以作加热使用，它通过充电器充电^［38］。控制单元控制系统的运行，如在出现过电压或过电流时切断氢气供应，也就停止了电力输出。

图9-29 便携式PEMFC装置的电路图

比较PEMFC和PAFC系统的体积、重量和预热时间，可以看出PEMFC的性能更为优越。PEMFC的预热时间为1min；仅为PAFC系统预热时间的10％。上述两种系统的各种区别如图9-30所示。而且，人们发现系统的运行时间与输出功率成反比^［38］。(www.xing528.com)

图9-30 PAFC和PEMFC便携式电源系统的相对体积、重量以及预热时间

在过去几年里，由于户外装置的增加导致对便携式电源的需求量增加。燃料电池为户外便携式装置提供了一个较好的解决方案。一些燃料电池应用较为广泛的领域包括长期电源备份、收音机、手机以及便携式军事设备和系统。

9.6.2.1 后备电源

传统的后备电源使用发电机组和市电通过不间断电源（UPS）对负载供电，发电机的输出波形一般会发生畸变；因此，通过UPS对负载供电，电压质量会得到提升。

在使用燃料电池作为后备电源的系统中，燃料电池系统取代了发电机。基于燃料电池的后备电源系统和所连接UPS的典型电路如图9-31所示。系统的效率很高，并且燃料电池的输出电压可以直接与负载相连。因此，负载功率不再需要UPS双重转换，节省了大量电力。

图9-31 基于燃料电池的后备电源框图

图9-31所示的电源发生故障时，UPS系统通过逆变器对负载提供所要求的AC电压。同时，蓄电池电压下降，在达到预先设定的值时，一个信号发往控制单元，便携式电源系统开始预热^［38］。在完成预热期之后，静态开关将负载与燃料电池相连。此后燃料电池系统开始对负载提供所要求的电压。

燃料电池后备电源系统也可以不使用UPS。事实上，在燃料电池作为后备电源对负载供电时，并不需要UPS，当燃料电池后备电源系统通过静态开关与负载断开时，UPS系统可以对负载提供一个不间断的电压。

如图9-32所示，UPS和图9-31所示的基于燃料电池的后备电源系统可以集成为UPS及后备电源系统。图9-32相比图9-31，一个主要的优势是其只有一个DC/AC逆变器，而图9-31有两个DC/AC逆变器。

9.6.2.2 小型便携式应用

在小型便携式应用中，人们正考虑使用DMFC取代蓄电池，如收音机或手机。蓄电池需要经常更换并且长期运行成本较高^［40］。为了使燃料电池成功取代充电电池，燃料电池系统必须结构紧凑并且可以在小功率范围运行。因此，燃料电池中最佳的选择是DMFC。

基于DMFC系统便携式收音机的物理结构相当简单。在这种应用中，使用重力取代泵送系统对燃料电池提供燃料^［40］。收音机的主要隔室是储存甲醇的容器，它是很容易拆解的。收音机的开关同时控制连接甲醇容器的真空管道。空气通过收音机后部的小入口进入。

图9-32 UPS和后备燃料电池系统框图

手机的蓄电池充电设备也考虑使用燃料电池。事实上，手机和其他便携式装置的微型燃料电池可以在未来3～4年内得到应用。然而，技术方面的相关问题如燃料电池效率、燃料电池配置和材料成本都需要在便携式装置的燃料电池系统商业化之前，进行考虑和测试。

人们在很久以前，就考虑在军事应用中使用燃料电池系统取代蓄电池。军事应用要求电源拥有大功率和高能量密度的特点。过去广泛使用的充电蓄电池重量过重，同时它们的寿命较短^［41］。先进的军事电源要求低成本、轻重量、小型化、可以承受较强振动、高可靠性以及可维护性。同时使用中的人为因素也必须考虑在内。

过去很少使用功率范围在2～5kW的PAFC系统。而功率范围在200～300W的PEMFC系统已经应用于军事方面的便携装置中^{［41，42］}。对于提供氢气的最主要的挑战是氢气储存方式中的安全性问题，如压缩气体、液态氢气或混合体。由于周围空气中存在杂质和化学物质，氧气在供给燃料电池阳极之前必须经过特殊处理。

燃料电池相比蓄电池最主要的优势是：它们拥有高能量密度和较长的使用寿命。而且，系统的每个单元成本也相对较低^［43］。除了这些优点，PEMFC系统的结构紧凑，因此可以承受军事任务中恶劣的操作环境。

燃料电池在军事领域中主要应用在战术领域，如指挥中、照明、无线电和其他设备^［44］。制冷设备也可以使用功率范围在100～200W的燃料电池。其他一些应用领域包括陆地部队系统、功率传感器、小型操作器、移动电力设备和发电机^［44］。