序論：好文章的創(chuàng)作是一個不斷探索和完善的過程，我們?yōu)槟扑]十篇燃料電池技術(shù)論文范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來更深刻的閱讀感受。

篇（1）

日本自實施月光計劃以來，作為國家級項目，正在實施5000千瓦級加壓型和1000千瓦級常壓型電廠實證運行。目前，磷酸型燃料電池的發(fā)電效率為30％～40％，如果將熱利用考慮進去，綜合效率可高達60％～80％。

除日本外，目前世界約有60臺PAFC發(fā)電設(shè)備在運轉(zhuǎn)，總輸出功率約為4.1萬千瓦。按國別和地區(qū)劃分日本為2.9萬千瓦，美國8000千瓦，歐洲3000千瓦，亞洲900千瓦。運轉(zhuǎn)中的發(fā)電設(shè)備除3臺(日本2臺，意大利1臺)為加壓型外，其他均為常壓型。磷酸型燃料電池的制造廠家目前主要為日本和美國，設(shè)備主要銷往歐、亞。

美國已完成基礎(chǔ)研究，200千瓦級電廠用電池近期有望商品化，但大容量電廠用電池處于停滯狀態(tài)。德國已引進美國200千瓦級電廠用電池進行試驗運行。另外，瑞典、意大利、瑞士等國也引進日、美的電池進行試運行。

2.熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)

日本對MCFC發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)始于1981年度的月光計劃，該計劃圍繞開發(fā)1千瓦級發(fā)電機組這個目標展開了對MCFC燃料、電極等的開發(fā)。該開發(fā)研究進展順利，從1984年開始，進而對10千瓦級發(fā)電機組進行研究開發(fā)。1986年，日立、東芝、富士電機、三菱電機、IHI分別對5臺10千瓦級機組進行發(fā)電試驗，其結(jié)果是輸出功率為10千瓦，初期性能為電池電壓0.75伏，電流密度150毫安/平方厘米。

1987年起，日本在對1000千瓦級實驗電場(外部改質(zhì)型)進行主要開發(fā)的同時，對100千瓦級發(fā)電機組以及1000千瓦級機組的設(shè)備的開發(fā)研究也取得了進展。1993年度，日立、IHI的2臺100千瓦級外部改質(zhì)型機組和三菱電機的1臺30千瓦級內(nèi)部改質(zhì)型機組開始試驗發(fā)電運行。其試驗結(jié)果以及1994年度進行的5-25千瓦級機組的試驗結(jié)果表明，電池電壓0.8伏，電流密度達15毫安/平方厘米，單位時間內(nèi)的劣化率小于1％。

在此基礎(chǔ)上，1994年度起開始著手開發(fā)1000千瓦級試驗工廠。1995年10月在中部電力(株)川越發(fā)電所開始建廠，確立了1000千瓦級實用化發(fā)電系統(tǒng)試驗工廠的基本系統(tǒng)，對現(xiàn)有的事業(yè)用燃料電池電廠的運行進行評價，計劃1999年開始試驗運行，其目標為：燃料利用率為80％，千小時電池的劣化率小于1％，初期性能為：電池電壓大于0.8伏，電流密度1500毫安/平方厘米，計劃試驗運行5000小時。

為使電池實用化，在上述研究開發(fā)的基礎(chǔ)上，還進行了機組長壽命化研究，計劃連續(xù)實驗運行4萬小時，每千小時單位劣化率小于0.25％。除此之外，還在開發(fā)200千瓦級內(nèi)部改質(zhì)型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。

美國能源部和美國電力研究所，正在積極開發(fā)MCFC。美國ERC公司開發(fā)的2兆瓦級內(nèi)部改質(zhì)型機組發(fā)電系統(tǒng)于1996年5月在圣克拉拉開始試驗運行。MC－power公司開發(fā)的250千瓦級外部改質(zhì)型機組發(fā)電系統(tǒng)，1997年2月起在圣迭戈開始試運行。

在歐洲，MCFC作為共同項目正在研究開發(fā)，取得了一些進展，其主要項目如下：

①高級DIC－MCFC發(fā)展計劃(1996-1998年)。荷蘭、英、法、瑞典等國參加研究，歐洲在市場分析、系統(tǒng)開發(fā)以及內(nèi)部改質(zhì)型機組的開發(fā)等方面取得進展。

②ARGE項目(1990年起計劃10年內(nèi)完成)。德、丹麥參加，并在內(nèi)部改質(zhì)型發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)上取得進展。

③MOLCARE。由意、西班牙參加，并在外部改質(zhì)型發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)上取得進展。

韓國從1993年起開始開發(fā)MCFC，1997年以開發(fā)100千瓦外部改質(zhì)型發(fā)電系統(tǒng)為目標，開始了第二階段研究開發(fā)工作。

3.固體電解質(zhì)型燃料電池(SOFC)

作為SOFC開發(fā)的基礎(chǔ)科學離子學，其開發(fā)歷史很長，日、美、德等國已有30多年的開發(fā)史。日本工業(yè)技術(shù)院電子技術(shù)綜合研究所從1974年起就開始研究SOFC，1984年進行了500瓦發(fā)電試驗(最大輸出功率為1.2千瓦)。美國西屋公司從1960年起開始開發(fā)SOFC，1987年該公司與日本東京煤氣、大阪煤氣共同開發(fā)出3千瓦熱自立型電池模塊，在國內(nèi)外掀起了開發(fā)SOFC的。

日本新陽光計劃中，以產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)(NEDO)，為首，從1989年起開始開發(fā)基礎(chǔ)制造技術(shù)，對數(shù)百千瓦級發(fā)電機組進行測試。1992年起，富士電機綜合研究所和三洋電機在共同研究開發(fā)數(shù)千瓦級平板型模塊基礎(chǔ)上，還組織了7個研究機構(gòu)積極開發(fā)高性能、長壽命的SOFC材料及其基礎(chǔ)技術(shù)。

除此之外，三菱重工神戶造船所與中部電力合作，共同開發(fā)平板型SOFC，1996年創(chuàng)造了5千瓦級模塊成功運行的先例。同時，在圓筒橫縞型電池領(lǐng)域中，1995年三菱重工長崎造船所在電源開發(fā)共同研究中，采用圓筒橫縞型電池，開發(fā)出10千瓦級模塊，成功地進行了500小時試運行，之后又于1996年開發(fā)了2.5千瓦模塊，并試運行1000小時。TOTO與九州電力共同開發(fā)全濕式圓筒縱縞型電池，1996年起，開始開發(fā)1千瓦級模塊。同時，在日本以大學與國立研究所為首的許多研究機構(gòu)在積極開發(fā)SOFC。

美國西屋公司在能源部的支持下，開始開發(fā)圓筒縱縞型電池。東京煤氣和大阪煤氣對25千瓦級發(fā)電及余熱供暖系統(tǒng)進行的共同測試表明，截至1997年3月，已成功運行了約1.3萬小時，其間已經(jīng)過11次啟動與停機，千小時單位電池的劣化率小于0.1％，可見其技術(shù)已非常成熟。西屋公司除計劃在1998年與荷蘭、丹麥共同進行100千瓦級模塊運行外，為降低制造成本，還在研究開發(fā)濕式電池制造技術(shù)。美國Allied－signal、SOFCo、Z－tek等公司在開發(fā)平板型SOFC上取得進展，目前正對1千瓦級模塊進行試運行。

在歐洲，德國西門子公司在開發(fā)采用合金系列分離器的平板型SOFC，1995年開發(fā)出10千瓦(利用氧化劑中的氧，若在空氣中則為5千瓦)模塊，1996年開發(fā)出7.2千瓦模塊(利用氧化劑中的空氣)。

奔馳汽車制造公司在開發(fā)陶瓷系列分離器式平板型SOFC上取得進展，1996年對2.2千瓦模塊試運行6000小時。瑞士的薩爾澤爾公司在積極開發(fā)家庭用SOFC，目前已開發(fā)出1千瓦級模塊。今后，德國還計劃在特蒙德市進行7千瓦級發(fā)電及余熱供暖系統(tǒng)現(xiàn)場測試。

在此基礎(chǔ)研究上，以英、法、荷等國的大學和國立研究所為中心的研究機構(gòu)，正在積極研究開發(fā)低溫型(小于800℃)SOFC材料。

4.固體高分子型燃料電池(PEFC)

日本開發(fā)固體高分子膜的單位有旭化成、旭哨子、Japangore－tex等，開發(fā)改質(zhì)器以及電極催化媒體的機構(gòu)有田中貴金屬、大阪煤氣等。在開發(fā)汽車燃料電池方面，豐田制造出甲醇改質(zhì)型燃料電池汽車(1997年)，同時三菱電機、馬自達也在著手開發(fā)汽車燃料電池。

在供電及余熱供暖系統(tǒng)方面，PEFC排熱溫度較低，為70℃左右，在熱利用上有所限制，與其他類型燃料電池相比，目前只開發(fā)小型系統(tǒng)。東芝(30千瓦)、三洋電機(數(shù)千瓦)、三菱重工和東京煤氣(5千瓦)、富士電機和關(guān)西電力(5千瓦)等公司在開發(fā)以天然氣和甲醇為燃料的電池系統(tǒng)，同時，三洋電機在開發(fā)1千瓦級氫燃料便攜式商品化電源，三菱重工在開發(fā)特殊用途(無人潛水艇用)燃料電池。

PEFC主要作為汽車動力電源在開發(fā)。但在汽車上燃料的搭載方式各種各樣，有高壓氫、液化氫和甲醇等。這些燃料各具長短，目前還未能確定最適方式。

德國奔馳與加拿大BPS在進行共同開發(fā)，它們開發(fā)的搭載氫燃料、小底盤汽車在試運行。除此之外它們還共同開發(fā)甲醇燃料電池汽車。若在降低成本、提高運行性能等方面再取得一些進展，電池汽車就有望走向市場。

篇（2）

1質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)及原理

按照電解質(zhì)的不同可將燃料電池分為磷酸燃料電池、堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池及質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等五類。PEMFC單電池由質(zhì)子交換膜、氣體擴散電極、雙極板等構(gòu)成，圖1是其結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖。

PEMFC的基本工作過程如下：

（1）氫氣通過雙極板上的導氣通道到達電池的陽極，氫分子在催化劑的作用下解離形成氫離子和電子；

（2）氫離子以水合質(zhì)子H+（xH2O）的形式通過電解質(zhì)膜到達陰極，電子在陽極側(cè)積累；

（3）氧氣通過雙極板到達陰極后，氧分子在催化劑的作用下變成氧離子，陰、陽極間形成一個電勢差；

（4）陽極和陰極通過外電路連接起來，在陽極積聚的電子就會通過外電路到達陰極，形成電流，對負載做功。同時，在陰極側(cè)反應(yīng)生成水；

（5）只要持續(xù)不斷地提供反應(yīng)氣體，PEMFC就可以連續(xù)工作，對外提供電能。

2質(zhì)子交換膜燃料電池的特點

（1）高效率。PEMFC以電化學方式進行能量轉(zhuǎn)換，不存在燃燒過程，不受卡諾循環(huán)限制，其理論熱效率可達85-90%，目前的實際效率大約是內(nèi)燃機的兩倍。傳統(tǒng)動力源為了提高效率必須將負荷限制在很小范圍內(nèi)，而PEMFC幾乎在全部負荷范圍內(nèi)均有很高效率。

（2）模塊化。PEMFC在結(jié)構(gòu)上具有模塊化的特點，可根據(jù)不同動力需求組合安裝，采用“搭積木”式的設(shè)計方法簡化了不同規(guī)模電堆的設(shè)計制造過程。

（3）高可靠性。由于PEMFC電堆采用模塊化的設(shè)計方法，結(jié)構(gòu)簡單，易于維護。一旦某個單電池發(fā)生故障，可自動采取適當屏蔽措施，只會使系統(tǒng)輸出功率略有下降，而不會導致整個動力系統(tǒng)的癱瘓。

（4）燃料多樣性。PEMFC動力系統(tǒng)既可以純氫為燃料，也可以重整氣為燃料。氫氣的來源可以是電解水的產(chǎn)物，也可以是對汽油、柴油、二甲醚等化石類燃料重整的產(chǎn)物。氫氣的存儲方式可以是高壓氣罐、液氫、金屬氫化物等。

（5）環(huán)境友好。當采用純氫為燃料時，PEMFC的唯一產(chǎn)物是水，可以做到零排放。以重整氣為燃料時，相對于內(nèi)燃機而言，排放也極大降低。此外，PEMFC噪聲水平也很低，各結(jié)構(gòu)部件均可回收利用。3研究現(xiàn)狀

3.1關(guān)鍵部件

電解質(zhì)膜、雙極板、催化劑及氣體擴散電極是質(zhì)子交換膜燃料電池的四大關(guān)鍵部件。

電解質(zhì)膜是PEMFC的核心部件，它直接影響燃料電池的性能與壽命。1962年美國杜邦公司研制成功全氟磺酸型質(zhì)子交換膜，1966年開始用于燃料電池，其商業(yè)型號為Nafion，至今仍廣泛使用。但由于Nafion膜成本較高，各國科學家正在研究部分氟化或非氟質(zhì)子交換膜。

雙極板在PEMFC中起著支撐、集流、分割氧化劑與還原劑并引導氣體在電池內(nèi)電極表面流動的作用，目前廣泛采用的是以石墨為材料，在其上加工出引導氣體流動的流場，基本流場形式有蛇形、平行、交指及網(wǎng)格狀等。

鉑基催化劑是目前性能最好的電極催化劑，為提高利用率，鉑以納米級顆粒形式高分散地擔載到導電、抗腐蝕的擔體上，目前廣泛采用的擔體為乙炔炭黑，比表面積約為250m2/g，平均粒徑為30nm。

PEMFC的氣體擴散電極由兩層構(gòu)成，一層為起支撐作用的擴散層，另一層為電化學反應(yīng)進行的場所催化層。擴散層一般選用炭材如石墨化炭紙或炭布制備，應(yīng)具備高孔隙率和適宜的孔分布，不產(chǎn)生腐蝕或降解。根據(jù)制備工藝和厚度不同，催化層分為厚層憎水、薄層親水及超薄三種類型。

3.2測控系統(tǒng)

PEMFC的工作性能受多種因素（溫度、壓力等）的影響，為確保PEMFC正常運行，提高其可靠性和有效性，就必須監(jiān)測各個影響因素。即運用有效的措施來連續(xù)監(jiān)測PEMFC運行的關(guān)鍵或重要狀態(tài)，并對收集到的信息進行必要的分析和處理，以便做到故障預(yù)測和及時診斷，為PEMFC管理系統(tǒng)提供依據(jù)。目前，進行PEMFC測試系統(tǒng)相關(guān)方面研究的公司和機構(gòu)眾多，但仍沒有制定出有關(guān)PEMFC測試的國際標準和相應(yīng)的標準測試設(shè)備，不過已有實用的測試系統(tǒng)投入使用。加拿大Hydrogenics公司的燃料電池測試站（FCATS）、美國Arbin公司的集成燃料電池測試系統(tǒng)（FCTS）是其中的突出代表。

4質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用

質(zhì)子交換膜燃料電池是目前各種燃料電池中實用程度較高的一類。其優(yōu)越性不僅限于能量轉(zhuǎn)換效率高、工作溫度低，還體現(xiàn)在其可在較大的電流密度下工作，適宜于較頻繁啟動的場合。因此世界各大汽車生產(chǎn)廠商一致看好其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用前景，PEMFC已成為現(xiàn)今燃料電池汽車動力的主要發(fā)展方向。目前，通用、豐田等世界上知名的汽車公司，都在積極開發(fā)以PEMFC系統(tǒng)為動力源的PEMFC電動車，曾先后推出各種類型的樣車，并進行PEMFC電動車隊的示范運行。PEMFC電動車以其優(yōu)異的性能和環(huán)境污染很少等突出特點引起了人們的普遍關(guān)注，甚至被認為將是21世紀內(nèi)燃機汽車最為有力的競爭者。

此外，在航空航天特別是無人飛行器領(lǐng)域，以及家庭電源、分散電站、移動電子設(shè)備電源、水下機器人及潛艇不依賴空氣推進電源等方面也有廣泛應(yīng)用前景。

5質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展趨勢

在關(guān)鍵部件方面，圍繞電解質(zhì)膜、催化劑及雙極板的研究方興未艾。全氟型磺酸膜價格昂貴，開發(fā)非全氟的廉價質(zhì)子交換膜是今后的研究方向。近年來，新型質(zhì)子交換膜的的研究熱點是開發(fā)能夠在100℃以上使用的高溫電解質(zhì)膜。在催化劑方面，研制高性能抗CO中毒電極催化劑是最緊迫的任務(wù)，此外，還要尋找非貴金屬氮化物或碳化物作為現(xiàn)有鉑催化劑的替代。目前廣泛使用的石墨板具有較好的耐腐蝕能力和較高的熱導率，但成本較高，加工難度大，強度、電導率和可回收性均不如金屬板。金屬板目前急需解決的問題是表面處理，以提高其耐腐蝕能力。復(fù)合材料雙極板則結(jié)合了純石墨板和金屬板的優(yōu)點，具有耐腐蝕、體積小、質(zhì)量輕、強度大及工藝性良好等特點，是未來發(fā)展的趨勢。

在電堆方面，今后的研究重點將是使電堆中的電池單元的性能接近于單電池的性能，這就需要對電堆的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，保證電堆中每一片電池單元的整個活性面積處于一致的操作環(huán)境，并優(yōu)化水、熱管理，改善電流密度分布的均勻性。

篇（3）

中圖分類號：X703.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（c）-0003-02

微生物燃料電池（Microbial fuel cells， MFCs）是一種新興的高效的生物質(zhì)能利用方式，它利用細菌分解生物質(zhì)產(chǎn)生生物電能，具有無污染、能量轉(zhuǎn)化效率高、適用范圍廣泛等優(yōu)點。因此MFCs逐漸成為現(xiàn)今社會的研究熱點之一。

1 微生物燃料電池的工作原理

圖1是典型的雙室結(jié)構(gòu)MFCs工作原理示意圖，系統(tǒng)主要由陽極、陰極和將陰陽極分開的質(zhì)子交換膜構(gòu)成。陽極室中的產(chǎn)電菌催化氧化有機物，使其直接生成質(zhì)子、電子和代謝產(chǎn)物，氧化過程中產(chǎn)生的電子通過載體傳送到電極表面。根據(jù)微生物的性質(zhì)，電子傳送的載體可以為外源、與呼吸鏈有關(guān)的NADH和色素分子以及微生物代謝的還原性物質(zhì)。陽極產(chǎn)生的H+透過質(zhì)子交換膜擴散到陰極，而陽極產(chǎn)生的電子流經(jīng)外電路循環(huán)到達電池的陰極，電子在流過外電阻時輸出電能。電子在陰極催化劑作用下，與陰極室中的電子接受體結(jié)合，并發(fā)生還原反應(yīng)[1]。

下面以典型的葡萄糖為底物的反應(yīng)為例說明MFCs的工作原理，反應(yīng)中氧氣為電子受體，反應(yīng)完成后葡萄糖完全被氧化[2]。

2 微生物燃料電池的分類

目前為止，MFCs的分類方法沒有統(tǒng)一標準，通常有以下幾種分類方法。

（1）基于產(chǎn)電原理進行分類，包括氫MFCs、光能自養(yǎng)MFCs和化能異養(yǎng)MFCs。氫MFCs的原理是利用微生物制氫，同時利用涂有化學催化劑的電極氧化氫氣發(fā)電；光能自養(yǎng)MFCs是利用藻青菌或其他感光微生物的光合作用直接將光能轉(zhuǎn)化為電能；而化能異養(yǎng)MFCs則是在厭氧或兼性微生物的作用下，從有機底物中提取電子并轉(zhuǎn)移到電極上，實現(xiàn)電力輸出[3]。

（2）基于電池構(gòu)型進行分類，包括單極室微生物燃料電池、雙極室微生物燃料電池和多級串聯(lián)MFCs。圖1中的微生物燃料電池即為雙極室結(jié)構(gòu)，電池通過質(zhì)子交換膜分為陽極室和陰極室兩個極室。單極室MFCs則以空氣陰極MFCs為主，將陰極與質(zhì)子交換膜合為一體，甚至是去除質(zhì)子交換膜。為了提高產(chǎn)電量，將多個獨立的燃料電池串聯(lián)，就形成了多級串聯(lián)MFCs[4]。

（3）基于電子轉(zhuǎn)移方式分類，包括直接微生物燃料電池和間接微生物燃料電池兩類。直接微生物燃料電池是指底物直接在電極上被氧化，電子直接由底物分子轉(zhuǎn)移到電極，生物催化劑的作用是催化在電極表面上的反應(yīng)。間接微生物燃料電池的底物不在電極上氧化，而是在電解液中或其它地方發(fā)生氧化后，產(chǎn)生的電子由電子介體運載到電極上去[5]。

（4）基于電子從細菌到電極轉(zhuǎn)移方式進行分類，可分為有介體MFCs和無介體MFCs兩類。電子需要借助外加的電子中介體才能從呼吸鏈及內(nèi)部代謝物中轉(zhuǎn)移到陽極，這類為有介體MFCs。某些微生物可在無電子傳遞中間體存在的條件下，吸附并生長在電極的表面，并將電子直接傳遞給電極，這稱為無介體MFCs。

3 電池性能的制約因素[6～7]

迄今為止，MFCs的性能遠低于理想狀態(tài)。制約MFC性能的因素包括動力學因素、內(nèi)阻因素和傳遞因素等。

動力學制約的主要表現(xiàn)為活化電勢較高，致使在陽極或者陰極上的表面反應(yīng)速率較低，難以獲得較高的輸出功率[8]。內(nèi)電阻具有提高電池的輸出功率的作用，主要取決于電極間電解液的阻力和質(zhì)子交換膜的阻力?？s短電極間距、增加離子濃度均可降低內(nèi)阻。不用質(zhì)子交換膜也可以大大降低MFC的內(nèi)阻，這時得到的最大功率密度為有質(zhì)子交換膜的5倍，但必須注意氧氣擴散的問題[9]。另一個重要制約因素為電子傳遞過程中的反應(yīng)物到微生物活性位間的傳質(zhì)阻力和陰極區(qū)電子最終受體的擴散速率。最終電子受體采用鐵氰酸鹽或陰極介體使用鐵氰化物均可以獲得更大的輸出功率和電流。

另外，微生物對底物的親和力、微生物的最大生長率、生物量負荷、反應(yīng)器攪拌情況、操作溫度和酸堿度均對微生物燃料電池內(nèi)的物質(zhì)傳遞有影響[10]。

4 微生物燃料電池的應(yīng)用

（1）廢水處理與環(huán)境污染治理。

微生物燃料電池可以同步廢水處理和產(chǎn)電，是一種廢水資源化技術(shù)。把MFC用于廢水處理是其最有前景的一個應(yīng)用方向，也是當前微生物燃料電池的研究熱點之一。同時，在生物脫氮、脫硫、重金屬污染的生物治理等方面MFCs也具有不可忽視的作用。

（2）海水淡化。

普通的海水淡化處理技術(shù)條件苛刻，需要高壓、高效能的轉(zhuǎn)化膜，有的還要消耗大量的電能，故不能大規(guī)模的處理，并且成本較高，難以有效地解決海水淡化問題。如果找到一種高效的產(chǎn)電微生物和特殊的PEM交換膜，那么MFC，就可以達到海水淡化的目的，而且具有能耗低，環(huán)保和可持續(xù)的優(yōu)點。利用MFC淡化海水也將成為具有發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较騕11]。

（3）便攜式電源。

微生物燃料電池能夠利用環(huán)境中自然產(chǎn)生的燃料和氧化劑變?yōu)殡娔?，用于替代常?guī)能源。可以為水下無人駕駛運輸工具、環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的長期自主操作提供電源。

（4）植物MFCs。

通過光合作用，植根在陽極室的綠色植物將二氧化碳轉(zhuǎn)換為碳水化合物，在根部形成根瘤沉積物；植物根系中的根瘤沉積物被具有電化學活性的微生物轉(zhuǎn)化為二氧化碳，同時產(chǎn)生電子。這種植物MFCs能夠原位將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能[12]。

（5）人造器官的動力源[13]。

微生物燃料電池可以利用人體內(nèi)的葡萄糖和氧氣產(chǎn)生能量。作為人造器官的動力源，需要長期穩(wěn)定的能量供給，而人體內(nèi)源源不斷的葡萄糖攝入恰好可以滿足MFC作為這種動力源的燃料需要。

5 微生物燃料電池技術(shù)研究展望

MFCs技術(shù)正在不斷成長并且已經(jīng)在許多方面取得了重大突破。但是，由于其功率偏低，該技術(shù)還沒有實現(xiàn)真正的大規(guī)模實際應(yīng)用。基于其產(chǎn)電性能的制約因素，今后的研究方向主要可歸納為以下幾點。

（1）深入研究并完善MFCs的產(chǎn)電理論。MFCs產(chǎn)電理論研究處于起步階段，電池輸出功率較低，嚴重制約了MFCs的實際應(yīng)用。MFCs中產(chǎn)電微生物的生長代謝過程，產(chǎn)電呼吸代謝過程以及利用陽極作為電子受體的本質(zhì)是今后的研究重點[14]。

（2）篩選與培育高活性微生物。目前大多數(shù)微生物燃料電池所用微生物品種單一。要達到實際應(yīng)用的目的，需要尋找自身可產(chǎn)生氧化還原介體的高活性微生物和具有膜結(jié)合電子傳遞化合物質(zhì)的微生物。今后的研究應(yīng)致力于發(fā)現(xiàn)和選擇這種高活性微生。

（3）優(yōu)化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)。研究與開發(fā)單室結(jié)構(gòu)和多級串聯(lián)微生物燃料電池。利用微生物固定化技術(shù)、貴金屬修飾技術(shù)等改善電極的結(jié)構(gòu)和性能。選擇吸附性能好、導電性好的材料作為陽極，選擇吸氧電位高且易于撲捉質(zhì)子的材料作為陰極[15]。

（4）改進或替代質(zhì)子交換膜。質(zhì)子交換膜的質(zhì)量與性質(zhì)直接關(guān)系到微生物燃料電池的工作效率及產(chǎn)電能力。另外，目前所用的質(zhì)子交換膜成本過高，不利于實現(xiàn)工業(yè)化。今后應(yīng)設(shè)法提高質(zhì)子交換膜的穿透性以及建立非間隔化的生物電池[16]。

6 結(jié)語

MFCs作為一種可再生的清潔能源技術(shù)正在迅速興起，并已逐步顯現(xiàn)出它獨有的社會價值和市場潛力。隨著研究的不斷深入以及生物電化學的不斷進步，MFCs必將得到不斷地推廣和應(yīng)用[17]。

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篇（4）

“電力技術(shù)是通向可持續(xù)發(fā)展的橋梁”，這個論斷已經(jīng)逐漸成為人們的共識。研究表明，為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)盡可能把一次能源轉(zhuǎn)換為電能使用，提高電力在終端能源中的比例。因為，在保證相同的能源服務(wù)水平的前提下,使用電力這種優(yōu)質(zhì)能源最清潔、方便，易于控制、效率最高。如果能將大量分散燃用的化石燃料都高效潔凈地轉(zhuǎn)換為電力使用，人們賴以生存的環(huán)境和生活質(zhì)量就會大大改善。因此，電能高效潔凈地生產(chǎn)、傳輸、儲存、分配和使用的技術(shù)將成為電力技術(shù)的重點領(lǐng)域。以下將對若干電力前沿技術(shù)的現(xiàn)狀和未來發(fā)展前景進行簡單評述。

1.分布式電源

當今的分布式電源主要是指用液體或氣體燃料的內(nèi)燃機(IC)、微型燃氣輪機（Microtur_bines）和各種工程用的燃料電池（FuelCell）。因其具有良好的環(huán)保性能，分布式電源與“小機組”已不是同一概念。

1.1微型燃氣輪機

微型燃氣輪機（MicroTurbine）,是功率為幾千瓦至幾十千瓦，轉(zhuǎn)速為96000r/min，以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的超小型燃氣輪機，工作溫度500℃，其發(fā)電效率可達30%。目前國外已進入示范階段。其技術(shù)關(guān)鍵是高速軸承、高溫材料、部件加工等。可見，電工技術(shù)的突破常常取決于材料科學的進步。

1.2燃料電池

燃料電池是直接把燃料的化學能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。它是一種很有發(fā)展前途的潔凈和高效的發(fā)電方式，被稱為21世紀的分布式電源。

1.2.1燃料電池的工作原理

燃料電池的工作原理頗似電解水的逆過程。氫基燃料送入燃料電池的陽極(電源的負極)轉(zhuǎn)變?yōu)闅潆x子，空氣中的氧氣送入燃料電池的陰極(電源的正極)，負氧離子通過2極間離子導電的電解質(zhì)到達陽極與氫離子結(jié)合成水，外電路則形成電流。

通常，完整的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由電池堆、燃料供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電力電子換流器、保護與控制及儀表系統(tǒng)組成。其中，電池堆是核心。低溫燃料電池還應(yīng)配備燃料改質(zhì)器（又稱為燃料重整器）。高溫燃料電池具有內(nèi)重整功能，無須配備重整器。磷酸型燃料電池（PAFC）是目前技術(shù)成熟、已商業(yè)化的燃料電池。現(xiàn)在已能生產(chǎn)大容量加壓型11MW的設(shè)備及便攜式250kW等各種設(shè)備。第2代燃料電池的溶融碳酸鹽電池（MCFC），工作在高溫（600～700℃）下，重整反應(yīng)可以在內(nèi)部進行，可用于規(guī)模發(fā)電，現(xiàn)在正在進行兆瓦級的驗證試驗。固體電解質(zhì)燃料電池（SOFC）被稱為第3代燃料電池。由于電解質(zhì)是氧化鋯等固體電解質(zhì)，未來可用于煤基燃料發(fā)電。質(zhì)子交換膜燃料電池是最有希望的電動車電源。

1.2.2性能和特點

燃料電池有以下優(yōu)點：（1）有很高的效率，以氫為燃料的燃料電池，理論發(fā)電效率可達100%。熔融碳酸鹽燃料電池，實際效率可達58.4%。通過熱電聯(lián)產(chǎn)或聯(lián)合循環(huán)綜合利用熱能，燃料電池的綜合熱效率可望達到80%以上。燃料電池發(fā)電效率與規(guī)模基本無關(guān)，小型設(shè)備也能得到高效率。（2）處于熱備用狀態(tài)，燃料電池跟隨負荷變化的能力非常強，可以在1s內(nèi)跟隨50%的負荷變化。(3)噪音低；可以實現(xiàn)實際上的零排放；省水。（4）安裝周期短，安裝位置靈活，可省去新建輸配電系統(tǒng)

目前燃料電池大規(guī)模應(yīng)用的障礙是造價高，在經(jīng)濟性上要與常規(guī)發(fā)電方式競爭尚需時日。

1.2.3技術(shù)關(guān)鍵和研究課題

燃料電池的技術(shù)關(guān)鍵涉及電池性能、壽命、大型化、價格等與商業(yè)化有關(guān)的項目，主要涉及新的電解質(zhì)材料和催化劑。熔融碳酸鹽電池（MCFC）在高溫條件下液體電解質(zhì)的損失和腐蝕滲漏降低了電池的壽命，使MCFC的大型化及實用化受到限制。需要解決電池構(gòu)成材料的腐蝕；電極細孔構(gòu)造變化使電池性能下降等問題。固體氧化物燃料電池（SOFC）使用固體電解質(zhì)且工作溫度很高,對構(gòu)成材料及其加工有特殊要求。為了得到高溫下化學性穩(wěn)定和致密性（不通過氣體）的電解質(zhì)，在氧化鋯中加入Y2O3生成釔穩(wěn)定氧化鋯。為了降低工作溫度，應(yīng)盡可能減少電解質(zhì)薄膜厚度。通常采用熔射法、燒結(jié)法和電化學蒸發(fā)涂層法制備電解質(zhì)薄膜。實用的電解質(zhì)膜的厚度為0.03～0.05mm。比較先進的已達到0.01mm。這樣薄的電解質(zhì)陶瓷材料除應(yīng)當有足夠的機械強度外，必須具有高度的氣體致密性，否則將喪失燃料電池的性能。燃料極使用鎳鋯等耐熱金屬陶瓷，鎳還用作燃料重整的催化劑，空氣極在運行中處在高溫氧化中，難以使用一般金屬。鉑的穩(wěn)定性好，但費用昂貴，需要尋找替代材料，可用電子導電陶瓷。為了降低工作溫度，另外一個重要的研究方向是尋找低溫的質(zhì)子導電的電解質(zhì)。工作溫度倘若能降低到700℃以下，SOFC的造價就可以大幅度降低。2.大功率電力電子技術(shù)的應(yīng)用硅片引起的“第

2.1大功率電力電子器件的重大進展

電力電子學（PowerElectronics）的應(yīng)用已經(jīng)有多年的歷史。電力電子學器件用于電力拖動、變頻調(diào)速、大功率換流已經(jīng)是比較成熟的技術(shù)。大功率電子器件（HighPowerElectronics）的快速發(fā)展也引起了電力系統(tǒng)的重大變革，通常稱為硅片引起的第。

近年來，大功率電子器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力的一次系統(tǒng)?？煽毓瑁ňчl管）用于高壓直流輸電已經(jīng)有很長的歷史。大功率電子器件應(yīng)用于靈活的交流輸電（FACTS）、定質(zhì)電力技術(shù)（CustomPower）以及新一代直流輸電技術(shù)則是近10年的事。新的大功率電力電子器件的研究開發(fā)和應(yīng)用，將成為電力研究前沿。

2.2靈活交流輸電技術(shù)(FACTS)

靈活交流輸電技術(shù)是指電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)結(jié)合以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)電壓、參數(shù)(如線路阻抗)、相位角、功率潮流的連續(xù)調(diào)節(jié)控制，從而大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平，降低輸電損耗。

篇（5）

0.引言

時至今日，世界經(jīng)濟大體上仍然是化石燃料依賴型的，石油、煤和天然氣占世界初級能源消費總量的85％左右，剩下的部分主要是水電和核電，真正的可再生清潔能源如風能、太陽能等所占比例不到3％。世界能源需求仍在以1.5％～2％的年率增長，而地質(zhì)學家預(yù)測說，石油和天然氣價格將大幅度上升，再也不會回落。

燃料電池的出現(xiàn)與發(fā)展，給便攜式電子設(shè)備帶來一場深刻的革命，并且還會波及到汽車業(yè)，住宅，以及社會各方面的集中供電系統(tǒng)。在21世紀中它將會把人類由集中供電帶進一種分散供電的新時代。燃料電池供電，沒有二氧化碳的排放，可減輕溫室效應(yīng)使全球氣候變暖問題，它解決了火力發(fā)電使全球環(huán)境污染的問題，它是一個純正的綠色清潔能源。

1.燃料電池的原理

1.1 燃料電池的組成和工作原理

燃料電池的基本組成：陽極、陰極、電解質(zhì)和外電路。燃料電池中的電解質(zhì)有不同的種類。燃料電池是靠氫氧結(jié)合成水的反應(yīng)來發(fā)電的，因而不會產(chǎn)生氮氧化物（NOX）和碳氫化合物（HC）等易對空氣造成污染的物質(zhì)。它由三部分組成：陰極、陽極和電解液。

燃料電池有著幾個獨特的性質(zhì)：

（1）燃料電池在工作時必須有能量（燃料）輸入，才能產(chǎn)出電能。

（2）燃料電池所能夠產(chǎn)生的電能只和燃料的供應(yīng)有關(guān)，只要供給燃料就可以產(chǎn)生電能，其放電是連續(xù)進行的。

（3）燃料電池本體的質(zhì)量和體積并不大，但需要一套燃料儲存裝置或燃料轉(zhuǎn)換裝置和附屬設(shè)備才能獲得氫氣，而這些燃料儲存裝置或燃料轉(zhuǎn)換裝置和附屬設(shè)備的質(zhì)量和體積遠遠超過燃料電池本身。

1.2 燃料電池中的催化作用

燃料電池中的電催化作用是用來加速燃料電池化學反應(yīng)中電荷轉(zhuǎn)移的一種作用，一般發(fā)生在電極與電解質(zhì)的分界面上。 催化劑是一類可產(chǎn)生電催化作用的物質(zhì)。電催化劑可以分別用于催化陽極和陰極反應(yīng)。這種分離的催化特征，使得人們可以更好地優(yōu)選不同的催化劑。

評價催化劑的主要技術(shù)指標為穩(wěn)定性、電催化活性、電導率和經(jīng)濟性。

2.燃料電池的特點

由于燃料電池能將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，因此，它沒有像通常的火力發(fā)電機那樣通過鍋爐、汽輪機、發(fā)電機的能量形態(tài)變化，可以避免中間的轉(zhuǎn)換的損失，達到很高的發(fā)電效率。同時還有以下一些特點：

不管是滿負荷還是部分負荷均能保持高發(fā)電效率；不管裝置規(guī)模大小均能保持高發(fā)電效率； 具有很強的過負載能力； 通過與燃料供給裝置組合的可以適用的燃料廣泛；用天然氣和煤氣等為燃料時，NOX及SOX等排出量少，環(huán)境相容性優(yōu)。

此外，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率高，不受卡諾效率限制；清潔、環(huán)保。燃料電池不需要鍋爐、汽輪機等大型設(shè)備、沒有SOx、NOx氣體和固體粉塵的排放；可靠性和操作性良好，噪聲低；所用燃料廣泛，占地面積小，建廠具有很大靈活性。

3.燃料電池的分類

燃料電池可依據(jù)其工作溫度、所用燃料的種類和電解質(zhì)類型進行分類。按照工作溫度，燃料電池可分為高、中、低溫型三類。按燃料來源，燃料電池可分為直接式燃料電池(如直接甲醇燃料電池)，間接式燃料電池(如甲醇通過重整器產(chǎn)生氫氣，然后以氫氣為燃料電池的燃料)和再生類型進行分類。依據(jù)電解質(zhì)的不同，可將燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MC

FC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等。

3.1直接甲醇燃料電池

直接甲醇燃料電池是以甲醇為燃料，通過與氧結(jié)合產(chǎn)生電流的，優(yōu)點是直接使用甲醇，省去了氫的生產(chǎn)與存儲。其電化學轉(zhuǎn)化過程又可分為兩種方式，一種是直接燃料電池，另一種是間接燃料電池。直接燃料電池主要是甲醇在陽極被電解為氫和二氧化碳，氫通過質(zhì)子膜到陰極與氧氣反應(yīng)并同時產(chǎn)生電流。間接燃料電池是先將甲醇進行煉解或重整得到氫，然后再由氫和氧通過質(zhì)子膜電解槽反應(yīng)而獲得供給汽車動力的電能。這種燃料電池以甲醇為能量來源，手機，筆記本電腦將不再用充電。

3.2固體氧化物燃料電池

固體氧化物燃料電池采用固體氧化物作為電解質(zhì)，除了高效，環(huán)境友好的特點外，它無材料腐蝕和電解液腐蝕等問題；在高的工作溫度下電池排出的高質(zhì)量余熱可以充分利用，使其綜合效率可由50%提高到70%以上； 它的燃料適用范圍廣，不僅能用H2，還可直接用CO、天然氣（甲烷）、煤汽化氣，碳氫化合物、NH3、H2S等作燃料。這類電池最適合于分散和集中發(fā)電。

3.3堿性燃料電池

再生氫氧燃料電池將水電解技術(shù)(電能+2H2O2H2+O2)與氫氧燃料電池技術(shù)(2H2+O2H2O+電能)相結(jié)合 ,氫氧燃料電池的燃料 H2、氧化劑O2可通過水電解過程得以“再生”, 起到蓄能作用?？梢杂米骺臻g站電源。采用氫氧化鉀溶液作為電解液。這種電解液效率很高（可達60-90％），但對影響純度的雜質(zhì)，如二氧化碳很敏感。因而運行中需采用純態(tài)氫氣和氧氣。這一點限制了將其應(yīng)用于宇宙飛行及國際工程等領(lǐng)域。

3.4質(zhì)子交換膜燃料電池

燃料電池工程中心研究雙效催化劑和雙效氧電極的制備方法，研制薄層電極并制備膜電極三合一組件，降低電極鉑擔量。目前電極的鉑擔量已降至0.02mg/cm2。同時進行固體電解質(zhì)的水電解技術(shù)開發(fā)，已掌握水電解用膜電極的制備技術(shù)。

3.5熔融碳酸鹽燃料電池

熔融碳酸鹽燃料電池是一種高溫電池（600～700℃），具有效率高（高于40%）、噪音低、無污染、燃料多樣化（氫氣、煤氣、天然氣和生物燃料等）、余熱利用價值高和電池構(gòu)造材料價廉等諸多優(yōu)點，是下一世紀的綠色電站。

4.燃料電池的應(yīng)用

燃料電池技術(shù)因具備低污染、高能源轉(zhuǎn)換效率的特性，更能滿足人類高效、環(huán)保的需求。它具有更高的能源密度。緊急備用發(fā)電機、住宅用熱電共生系統(tǒng)、UPS、分布式發(fā)電系統(tǒng)、軍事國防、太空與運輸工具領(lǐng)域、機器人、筆記型計算機、PDA、手機等便攜電子產(chǎn)品、便攜電源、搬運工具、電動輔助/代步車等。采用極薄的塑料薄膜作為其電解質(zhì)。這種電解質(zhì)具有高功率一重量比和低工作溫度。是適用于固定和移動裝置的理想材料。

質(zhì)子交換膜燃料電池以磺酸型質(zhì)子交換膜為固體電解質(zhì),無電解質(zhì)腐蝕問題，能量轉(zhuǎn)換效率高，無污染，可室溫快速啟動。質(zhì)子交換膜燃料電池在固定電站、電動車、軍用特種電源、可移動電源等方面都有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是電動車的最佳驅(qū)動電源。它已成功地用于載人的公共汽車和奔馳轎車上。

5.小結(jié)

高效、潔凈的燃料電池必將在未來的高效、清潔發(fā)電技術(shù)中占有一席之地。但是，資金、技術(shù)、觀念、基礎(chǔ)設(shè)施上還有許多需要克服的困難。油價飆升、電價太貴，燃料電池成為未來家庭能源供應(yīng)相對便宜的選擇，也是目前最令人滿意的解決方案。在固定電站、電動車、軍用特種電源、可移動電源等方面都有廣闊的應(yīng)用前景?！科]

【參考文獻】

篇（6）

關(guān)鍵詞：陶瓷膜 新材料

1陶瓷膜技術(shù)發(fā)展概況

陶瓷膜也稱CT膜，是固態(tài)膜的一種，最早由日本的大日本印刷公司和東洋油墨公司在1996年開發(fā)引入市場。2004年7月，北美陶瓷技術(shù)公司順利完成了其價值超過500萬美元的新型雙磨盤研磨機的組裝，該設(shè)備在制備超薄陶瓷膜的生產(chǎn)技術(shù)上首屈一指，這同時也使得公司在制備超平、超完整陶瓷膜上的技術(shù)大大提升。

2陶瓷膜的廣泛應(yīng)用

2.1提純用陶瓷過濾膜

2004年8月，由北京邁勝普技術(shù)有限公司與山東魯抗醫(yī)藥有限公司研制的陶瓷膜過濾系統(tǒng)用于某種抗生素的分離提純獲得成功，這不僅優(yōu)化了此種抗生素的生產(chǎn)工藝，而目使抗生素收率提高15%，這是我國首次將陶瓷膜技術(shù)運用于抗生素生產(chǎn)?？股氐姆蛛x提純，必須經(jīng)過對發(fā)酵液的過濾和對濾出的藥液進行樹脂交換。目前，許多抗生素生產(chǎn)企業(yè)對氨基糖苷類抗生素發(fā)酵液的分離提純均采用真空轉(zhuǎn)鼓過濾器，這種工藝需先將發(fā)酵液酸化調(diào)至一定的pH值，然后用敷設(shè)助濾劑層的真空轉(zhuǎn)鼓過濾器進行預(yù)過濾，再用板框進行復(fù)濾及樹脂交換。采用這種工藝不僅過程繁瑣，而目有效成分收率低，僅過濾和樹脂交換過程的收率損失達30%。

2.2鍍陶瓷包裝膜

在食品包裝領(lǐng)域，近年越來越引人注目的是具有高功能性和良好環(huán)保適應(yīng)性的透明鍍陶瓷膜。這種膜盡管目前價格較高，物理性能還有待進一步改進，但可預(yù)期在不遠的將來它將在食品包裝材料中占據(jù)重要的地位。陶瓷膜的加工鍍膜方法與通常的鍍金屬方法相似，基本上按我們己知的加工法進行。鍍陶瓷膜由PET（12μm）陶瓷（Si0x）組成。氧化硅能分成4類，即Si0，Si304，Si203，Si02。對這種膜的主要要求是具有良好的透明度、極佳的阻隔性、優(yōu)良的耐蒸煮性、較好的可透過微波性與良好的環(huán)境保護性以及良好的機械性能[2]。

鍍陶瓷膜首先用作細條實心面的調(diào)味品包裝材料。其優(yōu)良的包裝性能引起了人們的注意。由于這種膜保味性極佳，因此，尤其適合于包裝易升華產(chǎn)品，如茶（樟腦）之類的易揮發(fā)材質(zhì)。由于其極好的阻隔性，除了作為高阻隔性包裝材料和作食品包裝材料用外、預(yù)計還可用在微波容器上作為蓋材，在調(diào)味品、精密機械零配件、電子零件、藥物和醫(yī)藥儀器等方而作為包裝材料。隨著加工技術(shù)的進一步發(fā)展，如果這種膜在成本上大幅下降，那么它將得到迅速推廣和應(yīng)用。

2.3 燃料電池陶瓷膜

我國“863”計劃固體氧化物燃料電池（SOFC）項目經(jīng)過對新型中溫固體氧化物陶瓷膜燃料電池的長期研制，把陶瓷膜制備技術(shù)開拓應(yīng)用于SOFC的制作，把通常SOFC的高溫（1000-900℃）拓延到中溫階段（700-500℃）。目前中國科技大學無機膜研究所己經(jīng)研制成功的新型中溫陶瓷膜燃料電池，是一種以陶瓷膜作為電解質(zhì)的燃料電池。電池部件薄膜化以后，降低了電池的內(nèi)阻，提高了有用功率的輸出，不需要高溫的條件下實現(xiàn)了中溫化，操作溫度降到700-500℃[4]。這種新型燃料電池繼承了高溫SOFC的優(yōu)點，同時降低了成本。此類陶瓷膜燃料電池具有廣闊的應(yīng)用前景[5]。

結(jié)束語

陶瓷膜的研究始于20世紀40年代，其發(fā)展可分為3個階段：用于鈾的同位素分離的核工業(yè)時期，于20世紀80年代建成了膜面積達400萬平方米的陶瓷膜的富集256UF6工廠，以無機微濾膜和超濾膜為主的液體分離時期和以膜催化反應(yīng)為核心的全面發(fā)展的時期。

總之，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，陶瓷膜作為一種新型的材料，在各行各業(yè)的領(lǐng)域中，發(fā)揮著巨大的作用。其前景也越來越廣闊。

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[3].高義民.現(xiàn)代電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池車[M].機械工業(yè)出版社.2008

[4].陳世全.燃料電池電動汽車[M].清華大學出版社.2005，5

[5].劉長江.充電站之戰(zhàn)電動汽車新機遇[J].第一財經(jīng)周刊.2010，4

參考文獻：

[1]陳翌，孔德洋.德國新能源汽車產(chǎn)業(yè)政策及其啟示[J].德國研究，2014，01：71-81+127.

篇（8）

一、通信電源的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）供電系統(tǒng)的現(xiàn)狀

通信電源是通信系統(tǒng)必不可少的重要組成部分，其設(shè)計目標是安全、可靠、高效、穩(wěn)定、不間斷地向通信設(shè)備提供能源。通信電源必須具備智能監(jiān)控、無人值守和電池自動管理等功能，從而滿足網(wǎng)絡(luò)時代的需求。通信電源系統(tǒng)由交流配電、整流柜、直流配電和監(jiān)控模塊組成。

（二）通信電源設(shè)備的更新?lián)Q代

近年來，隨著技術(shù)的進步，特別是功率器的更新?lián)Q代，新型電磁材料的不斷使用，功率變換技術(shù)的不斷改進，控制方法的不斷進步，以及相關(guān)學科的技術(shù)不斷融合，通信電源在系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，電磁兼容性，消除網(wǎng)側(cè)電流諧波、提高電能利用率、降低損耗、提高系統(tǒng)的動態(tài)性能等等方面都取得長足的進步。

（三）現(xiàn)行通信電源的電路模型和控制技術(shù)

目前通信電源的變換電路拓撲結(jié)構(gòu)主要采用雙單端電路，半橋電路和全橋電路，各有優(yōu)缺點。一般認為，在中、小功率場合，采用雙單端電路或半橋電路是適宜的；在大功率場合則采用全橋變換電路。

二、通信電源發(fā)展趨勢

（一）開關(guān)器件的發(fā)展趨勢

電源技術(shù)的精髓是電能變換，即利用電能變化技術(shù)將市電或電池等一次電源變換成適用于各種用電對象的二次電源。其中，開關(guān)電源在電源技術(shù)中占有重要地位，從10kHz發(fā)展到高穩(wěn)定度、大容量、小體積、開關(guān)頻率達到兆赫茲級，開關(guān)電源的發(fā)展為高頻變化提供了硬件基礎(chǔ)，促進了現(xiàn)代電源技術(shù)的繁榮和發(fā)展。

（二）通信直流電源產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展市場需求發(fā)展

在需求與技術(shù)的共同推動下，通信直流電源產(chǎn)品體現(xiàn)了如下的發(fā)展態(tài)勢：

體系架構(gòu)相當長的一段時間內(nèi)維持穩(wěn)定。通信直流電源在相當長的時間內(nèi)還是維持現(xiàn)有的交流配電、整流器模塊(并聯(lián))、直流配電、監(jiān)控單元、蓄電池等為主要組成部分的架構(gòu)；功率變換模式也將維持現(xiàn)有的高頻開關(guān)模式，暫時不會出現(xiàn)類似從線性電源到開關(guān)電源的階躍性的變化。

功率密度不斷提高。通信一次電源的核心部件整流器的功率密度不斷提高，推動了通信直流電源整機的功率密度不斷提高，但配電器件、蓄電池等密度基本維持穩(wěn)定，一定程度制約了整機系統(tǒng)的功率密度的提高比率。

更高的可靠性。高可靠性是通信電源的最基本要求。隨著器件技術(shù)、通信電源技術(shù)的成熟，以及各通信直流電源設(shè)備廠家在可靠性研究上大力投入，通信直流電源產(chǎn)品可靠性呈不斷提高的趨勢。

按照TRIZ理論(“創(chuàng)造性解決問題的理論”的俄語縮略語)描述的技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展進化規(guī)律，一般而言，技術(shù)的生命周期包含四個階段：嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期，種種跡象表明，通信直流電源的核心技術(shù)，開關(guān)電源技術(shù)基本上開始步入成熟期：效率的提升變得緩慢和困難、而電源損耗不能大幅度降低限制了功率密度的進一步提高，未來幾年甚至十幾年內(nèi)，通信直流電源產(chǎn)品將進入一個緩慢發(fā)展的階段，直至有一天，一種新的電源變換技術(shù)出現(xiàn)，通信直流電源產(chǎn)品就會再出現(xiàn)一個階躍性的發(fā)展，就像開關(guān)穩(wěn)壓技術(shù)替代線性穩(wěn)壓技術(shù)，給電源帶來了革命性的變化。

（三）通信用蓄電池技術(shù)研究的新進展

通信用蓄電池作為通信系統(tǒng)后備的能源供應(yīng)手段，其研制、生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)一直備受世界各國通信行業(yè)的重視。隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的不斷進步，國外正在研制和試驗新一代的通信用蓄電池，有的已經(jīng)進入商用化階段。這些新的蓄電池，由于其材料、結(jié)構(gòu)和技術(shù)上的先進性，在性能上具有傳統(tǒng)的VRLA電池無可比擬的優(yōu)越性。

1．釩電池（VanadiumRedoxBattery）。釩電池（VRB）是一種電解值可以流動的電池，目前正在逐步進入商用化階段。

2．燃料電池。燃料電池是一種化學電池，也是一種新型的發(fā)電裝置，它所需的化學原料由外部供給，如氫氧燃料電池，只要外部供給氫和氧，經(jīng)過內(nèi)部電極、催化劑和堿性電解液的作用，就能產(chǎn)生0.9V電壓的直流電能，同時產(chǎn)生大量的熱能.

3．電源監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用日益普及和信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，通信系統(tǒng)從以前的單機或小局域系統(tǒng)逐漸發(fā)展至大局域網(wǎng)系統(tǒng)或廣域網(wǎng)系統(tǒng)，大量人力、物力被投入到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理和維護工作上。不過通信設(shè)施所處環(huán)境越來越復(fù)雜，人煙稀少、交通不便都會增大維護的難度，這對電源設(shè)備的監(jiān)控管理提出了新的需求，保護通信互聯(lián)網(wǎng)終端的電源設(shè)備必須具備數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信能力。此時，數(shù)字化技術(shù)就表現(xiàn)出了傳統(tǒng)模擬技術(shù)無法實現(xiàn)的優(yōu)勢，數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展逐步表現(xiàn)出傳統(tǒng)模擬技術(shù)無法實現(xiàn)的優(yōu)勢.

4．通信電源的環(huán)保要求。環(huán)保問題，一方面的指標是通信電源的電流諧波要符合要求，降低電源的輸入諧波，不但可以改善電源對電網(wǎng)的負載特性，減少給電網(wǎng)帶來嚴重污染的情況，還可減少對其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的諧波干擾。另一個重要方面，是材料的可循環(huán)利用和環(huán)境的無污染，這方面需要產(chǎn)品滿足WEEE/ROHS指令。

在通信電源開發(fā)、生產(chǎn)早期，人們主要集中研究電源的輸出特性，較少考慮到電源的輸入特性。例如：傳統(tǒng)的在線式電源輸入AC/DC部分通常采用橋式整流濾波電路，其輸入電流呈脈沖狀，導通角約為π/3，波峰因數(shù)大于純電阻負載的1.4倍。這些諧波電流大的電源給電網(wǎng)帶來了嚴重的污染，使電網(wǎng)波形失真，實際負荷能力降低，對于三相四線制的電網(wǎng)來說，還很有可能因中性線電流過大而出現(xiàn)不安全隱患。

參考文獻：

[1]朱雄世，《通信電源的現(xiàn)狀與展望》.

[2]《淺析全球通信電源技術(shù)發(fā)展趨勢》.

[3]《通信直流電源發(fā)展趨勢》.

[4]孫向陽、張樹治，《國外通信用蓄電池技術(shù)研究的新進展》.

[5]《通信電源技術(shù)發(fā)展趨勢及標準研究方向》.

[6]曾瑛，《淺談通信電源》.

[7]王改娥、李克民，《談我國通信電源的發(fā)展方向》.

[8]王改娥、李克民，《我國通信電源的發(fā)展回顧與展望》.

[9]侯福平，《UPS系統(tǒng)在通信網(wǎng)絡(luò)中使用的特點及要求》.

篇（9）

一、通信電源的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）供電系統(tǒng)的現(xiàn)狀

通信電源是通信系統(tǒng)必不可少的重要組成部分，其設(shè)計目標是安全、可靠、高效、穩(wěn)定、不間斷地向通信設(shè)備提供能源。通信電源必須具備智能監(jiān)控、無人值守和電池自動管理等功能，從而滿足網(wǎng)絡(luò)時代的需求。通信電源系統(tǒng)由交流配電、整流柜、直流配電和監(jiān)控模塊組成。

（二）通信電源設(shè)備的更新?lián)Q代

近年來，隨著技術(shù)的進步，特別是功率器的更新?lián)Q代，新型電磁材料的不斷使用，功率變換技術(shù)的不斷改進，控制方法的不斷進步，以及相關(guān)學科的技術(shù)不斷融合，通信電源在系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，電磁兼容性，消除網(wǎng)側(cè)電流諧波、提高電能利用率、降低損耗、提高系統(tǒng)的動態(tài)性能等等方面都取得長足的進步。

（三）現(xiàn)行通信電源的電路模型和控制技術(shù)

目前通信電源的變換電路拓撲結(jié)構(gòu)主要采用雙單端電路，半橋電路和全橋電路，各有優(yōu)缺點。一般認為，在中、小功率場合，采用雙單端電路或半橋電路是適宜的；在大功率場合則采用全橋變換電路。

二、通信電源發(fā)展趨勢

（一）開關(guān)器件的發(fā)展趨勢

電源技術(shù)的精髓是電能變換，即利用電能變化技術(shù)將市電或電池等一次電源變換成適用于各種用電對象的二次電源。其中，開關(guān)電源在電源技術(shù)中占有重要地位，從10kHz發(fā)展到高穩(wěn)定度、大容量、小體積、開關(guān)頻率達到兆赫茲級，開關(guān)電源的發(fā)展為高頻變化提供了硬件基礎(chǔ)，促進了現(xiàn)代電源技術(shù)的繁榮和發(fā)展。

（二）通信直流電源產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展市場需求發(fā)展

在需求與技術(shù)的共同推動下，通信直流電源產(chǎn)品體現(xiàn)了如下的發(fā)展態(tài)勢：

體系架構(gòu)相當長的一段時間內(nèi)維持穩(wěn)定。通信直流電源在相當長的時間內(nèi)還是維持現(xiàn)有的交流配電、整流器模塊(并聯(lián))、直流配電、監(jiān)控單元、蓄電池等為主要組成部分的架構(gòu)；功率變換模式也將維持現(xiàn)有的高頻開關(guān)模式，暫時不會出現(xiàn)類似從線性電源到開關(guān)電源的階躍性的變化。

功率密度不斷提高。通信一次電源的核心部件整流器的功率密度不斷提高，推動了通信直流電源整機的功率密度不斷提高，但配電器件、蓄電池等密度基本維持穩(wěn)定，一定程度制約了整機系統(tǒng)的功率密度的提高比率。

更高的可靠性。高可靠性是通信電源的最基本要求。隨著器件技術(shù)、通信電源技術(shù)的成熟，以及各通信直流電源設(shè)備廠家在可靠性研究上大力投入，通信直流電源產(chǎn)品可靠性呈不斷提高的趨勢。

按照TRIZ理論(“創(chuàng)造性解決問題的理論”的俄語縮略語)描述的技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展進化規(guī)律，一般而言，技術(shù)的生命周期包含四個階段：嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期，種種跡象表明，通信直流電源的核心技術(shù)，開關(guān)電源技術(shù)基本上開始步入成熟期：效率的提升變得緩慢和困難、而電源損耗不能大幅度降低限制了功率密度的進一步提高，未來幾年甚至十幾年內(nèi)，通信直流電源產(chǎn)品將進入一個緩慢發(fā)展的階段，直至有一天，一種新的電源變換技術(shù)出現(xiàn)，通信直流電源產(chǎn)品就會再出現(xiàn)一個階躍性的發(fā)展，就像開關(guān)穩(wěn)壓技術(shù)替代線性穩(wěn)壓技術(shù)，給電源帶來了革命性的變化。

（三）通信用蓄電池技術(shù)研究的新進展

通信用蓄電池作為通信系統(tǒng)后備的能源供應(yīng)手段，其研制、生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)一直備受世界各國通信行業(yè)的重視。隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的不斷進步，國外正在研制和試驗新一代的通信用蓄電池，有的已經(jīng)進入商用化階段。這些新的蓄電池，由于其材料、結(jié)構(gòu)和技術(shù)上的先進性，在性能上具有傳統(tǒng)的VRLA電池無可比擬的優(yōu)越性。

1．釩電池（VanadiumRedoxBattery）。釩電池（VRB）是一種電解值可以流動的電池，目前正在逐步進入商用化階段。

2．燃料電池。燃料電池是一種化學電池，也是一種新型的發(fā)電裝置，它所需的化學原料由外部供給，如氫氧燃料電池，只要外部供給氫和氧，經(jīng)過內(nèi)部電極、催化劑和堿性電解液的作用，就能產(chǎn)生0.9V電壓的直流電能，同時產(chǎn)生大量的熱能.

3．電源監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用日益普及和信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，通信系統(tǒng)從以前的單機或小局域系統(tǒng)逐漸發(fā)展至大局域網(wǎng)系統(tǒng)或廣域網(wǎng)系統(tǒng)，大量人力、物力被投入到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理和維護工作上。不過通信設(shè)施所處環(huán)境越來越復(fù)雜，人煙稀少、交通不便都會增大維護的難度，這對電源設(shè)備的監(jiān)控管理提出了新的需求，保護通信互聯(lián)網(wǎng)終端的電源設(shè)備必須具備數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信能力。此時，數(shù)字化技術(shù)就表現(xiàn)出了傳統(tǒng)模擬技術(shù)無法實現(xiàn)的優(yōu)勢，數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展逐步表現(xiàn)出傳統(tǒng)模擬技術(shù)無法實現(xiàn)的優(yōu)勢.

4．通信電源的環(huán)保要求。環(huán)保問題，一方面的指標是通信電源的電流諧波要符合要求，降低電源的輸入諧波，不但可以改善電源對電網(wǎng)的負載特性，減少給電網(wǎng)帶來嚴重污染的情況，還可減少對其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的諧波干擾。另一個重要方面，是材料的可循環(huán)利用和環(huán)境的無污染，這方面需要產(chǎn)品滿足WEEE/ROHS指令。

在通信電源開發(fā)、生產(chǎn)早期，人們主要集中研究電源的輸出特性，較少考慮到電源的輸入特性。例如：傳統(tǒng)的在線式電源輸入AC/DC部分通常采用橋式整流濾波電路，其輸入電流呈脈沖狀，導通角約為π/3，波峰因數(shù)大于純電阻負載的1.4倍。這些諧波電流大的電源給電網(wǎng)帶來了嚴重的污染，使電網(wǎng)波形失真，實際負荷能力降低，對于三相四線制的電網(wǎng)來說，還很有可能因中性線電流過大而出現(xiàn)不安全隱患。

參考文獻：

[1]朱雄世，《通信電源的現(xiàn)狀與展望》.

[2]《淺析全球通信電源技術(shù)發(fā)展趨勢》.

[3]《通信直流電源發(fā)展趨勢》.

[4]孫向陽、張樹治，《國外通信用蓄電池技術(shù)研究的新進展》.

[5]《通信電源技術(shù)發(fā)展趨勢及標準研究方向》.

[6]曾瑛，《淺談通信電源》.

[7]王改娥、李克民，《談我國通信電源的發(fā)展方向》.

[8]王改娥、李克民，《我國通信電源的發(fā)展回顧與展望》.

[9]侯福平，《UPS系統(tǒng)在通信網(wǎng)絡(luò)中使用的特點及要求》.

篇（10）

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.13.065

0 引言

能源是人類生存及發(fā)展基礎(chǔ)。人類對能源的需求大幅增長，現(xiàn)如今能源危機威脅著人類的經(jīng)濟發(fā)展，大量煤電、火電等能源的使用產(chǎn)生大量的二氧化碳，導致溫室效應(yīng)，人類的生存環(huán)境受到威脅，紛紛轉(zhuǎn)向可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略規(guī)劃，開發(fā)利用分布式發(fā)電能源。新能源發(fā)電接入傳統(tǒng)電力系統(tǒng)并達到規(guī)模應(yīng)用，對于緩解能源緊張和抑制環(huán)境污染必將產(chǎn)生積極的意義。分布式電源指的是利用可再生能源獨立發(fā)電的小型發(fā)電系統(tǒng)，包括風能、太陽能、小水電和燃氣輪機等。光伏發(fā)電具有間歇性和不穩(wěn)定性（季節(jié)性、時段性、瞬時突變性）特點，該特點會對大電網(wǎng)造成沖擊。文獻[1]風光互補發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)和獨立運行下的能量供需平衡的檢測和對電網(wǎng)的影響，蓄電池的充放電管理和市電、負載的控制要求。

1 微網(wǎng)的運行策略

微網(wǎng)的運行具有不穩(wěn)定性，其不同于傳統(tǒng)電網(wǎng)發(fā)電單元，微網(wǎng)能提高電網(wǎng)的供電可靠性、降低線路網(wǎng)損和環(huán)境污染，是配電網(wǎng)的有益補充[2]。

微網(wǎng)既可以孤島運行，也可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，微網(wǎng)在與電網(wǎng)并網(wǎng)運行，能量雙向運行，其在不用的運行模式下需要采用不同的能量控制策略。

在離網(wǎng)運行中，當光伏微網(wǎng)的發(fā)電量大于負荷的需求，采用先給儲能單元充電的等方式，儲能的電量達到設(shè)定的需求，則根據(jù)時時電價將發(fā)電成本高的發(fā)電設(shè)備停止，保證光伏電網(wǎng)內(nèi)部的正常運行。

當微網(wǎng)的時時發(fā)電量小于負荷的需求時，儲能設(shè)備的高于設(shè)定值，則采用儲能單元先放電，當儲能單元低于設(shè)定值，啟動報價高的分布式電源進行時時的供電。

當微網(wǎng)的發(fā)電量與負荷需求持平時，儲能單元低于設(shè)定值，優(yōu)先保證給儲能單元充電。如果高于設(shè)定值，則根據(jù)電網(wǎng)報價，關(guān)閉運行成本高的發(fā)電設(shè)備。

2 微網(wǎng)能量管理模型

2.1 光伏電池能量管理模型

光伏電池的輸出功率收到太陽照度，溫度、太陽能電池板的傾斜度等問題的決定，在不同的情況下輸出的功率也不相同，經(jīng)過經(jīng)驗的總結(jié)，得到太陽能電池板的輸出功率由如下公式表達[3]：

3 結(jié)論

與傳統(tǒng)的大容量火力發(fā)電相比，微網(wǎng)與配電網(wǎng)之間存在能量的雙向流動，本文主要分析了微網(wǎng)能量管理的基本原理和策略，從微網(wǎng)的可靠性和經(jīng)濟性考慮分布式電源的能量管理。能量平衡控制的基本原理及并網(wǎng)和獨立運行模式下能量管理的基本策略。根據(jù)發(fā)電單元和儲能單元的穩(wěn)態(tài)特性，建立了發(fā)電單元和儲能單元的能量管理模型。

參考文獻：