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1質子交換膜燃料電池的結構及原理

按照電解質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子交換膜燃料電池（PEMFC）等五類。PEMFC單電池由質子交換膜、氣體擴散電極、雙極板等構成，圖1是其結構與工作原理示意圖。

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

（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，在陰極側反應生成水；

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

2質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換，不存在燃燒過程，不受卡諾循環限制，其理論熱效率可達85-90%，目前的實際效率大約是內燃機的兩倍。傳統動力源為了提高效率必須將負荷限制在很小范圍內，而PEMFC幾乎在全部負荷范圍內均有很高效率。

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

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

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

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

3.1關鍵部件

電解質膜、雙極板、催化劑及氣體擴散電極是質子交換膜燃料電池的四大關鍵部件。

電解質膜是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子交換膜，1966年開始用于燃料電池，其商業型號為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成，一層為起支撐作用的擴散層，另一層為電化學反應進行的場所催化層。擴散層一般選用炭材如石墨化炭紙或炭布制備，應具備高孔隙率和適宜的孔分布，不產生腐蝕或降解。根據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

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，就必須監測各個影響因素。即運用有效的措施來連續監測PEMFC運行的關鍵或重要狀態，并對收集到的信息進行必要的分析和處理，以便做到故障預測和及時診斷，為PEMFC管理系統提供依據。目前，進行PEMFC測試系統相關方面研究的公司和機構眾多，但仍沒有制定出有關PEMFC測試的國際標準和相應的標準測試設備，不過已有實用的測試系統投入使用。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（FCTS）是其中的突出代表。

4質子交換膜燃料電池的應用

質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。其優越性不僅限于能量轉換效率高、工作溫度低，還體現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廠商一致看好其在汽車工業中的應用前景，PEMFC已成為現今燃料電池汽車動力的主要發展方向。目前，通用、豐田等世界上知名的汽車公司，都在積極開發以PEMFC系統為動力源的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電動車以其優異的性能和環境污染很少等突出特點引起了人們的普遍關注，甚至被認為將是21世紀內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域，以及家庭電源、分散電站、移動電子設備電源、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用前景。

5質子交換膜燃料電池的發展趨勢

在關鍵部件方面，圍繞電解質膜、催化劑及雙極板的研究方興未艾。全氟型磺酸膜價格昂貴，開發非全氟的廉價質子交換膜是今后的研究方向。近年來，新型質子交換膜的的研究熱點是開發能夠在100℃以上使用的高溫電解質膜。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，此外，還要尋找非貴金屬氮化物或碳化物作為現有鉑催化劑的替代。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。復合材料雙極板則結合了純石墨板和金屬板的優點，具有耐腐蝕、體積小、質量輕、強度大及工藝性良好等特點，是未來發展的趨勢。

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構進行優化，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境，并優化水、熱管理，改善電流密度分布的均勻性。

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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能利用方式，它利用細菌分解生物質產生生物電能，具有無污染、能量轉化效率高、適用范圍廣泛等優點。因此MFCs逐漸成為現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是典型的雙室結構MFCs工作原理示意圖，系統主要由陽極、陰極和將陰陽極分開的質子交換膜構成。陽極室中的產電菌催化氧化有機物，使其直接生成質子、電子和代謝產物，氧化過程中產生的電子通過載體傳送到電極表面。根據微生物的性質，電子傳送的載體可以為外源、與呼吸鏈有關的NADH和色素分子以及微生物代謝的還原性物質。陽極產生的H+透過質子交換膜擴散到陰極，而陽極產生的電子流經外電路循環到達電池的陰極，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合，并發生還原反應[1]。

下面以典型的葡萄糖為底物的反應為例說明MFCs的工作原理，反應中氧氣為電子受體，反應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的分類方法沒有統一標準，通常有以下幾種分類方法。

（1）基于產電原理進行分類，包括氫MFCs、光能自養MFCs和化能異養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電；光能自養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化為電能；而化能異養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移到電極上，實現電力輸出[3]。

（2）基于電池構型進行分類，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MFCs。圖1中的微生物燃料電池即為雙極室結構，電池通過質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，將陰極與質子交換膜合為一體，甚至是去除質子交換膜。為了提高產電量，將多個獨立的燃料電池串聯，就形成了多級串聯MFCs[4]。

（3）基于電子轉移方式分類，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移到電極，生物催化劑的作用是催化在電極表面上的反應。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生氧化后，產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部代謝物中轉移到陽極，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。制約MFC性能的因素包括動力學因素、內阻因素和傳遞因素等。

動力學制約的主要表現為活化電勢較高，致使在陽極或者陰極上的表面反應速率較低，難以獲得較高的輸出功率[8]。內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子交換膜的阻力。縮短電極間距、增加離子濃度均可降低內阻。不用質子交換膜也可以大大降低MFC的內阻，這時得到的最大功率密度為有質子交換膜的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物到微生物活性位間的傳質阻力和陰極區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、反應器攪拌情況、操作溫度和酸堿度均對微生物燃料電池內的物質傳遞有影響[10]。

4 微生物燃料電池的應用

（1）廢水處理與環境污染治理。

微生物燃料電池可以同步廢水處理和產電，是一種廢水資源化技術。把MFC用于廢水處理是其最有前景的一個應用方向，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條件苛刻，需要高壓、高效能的轉化膜，有的還要消耗大量的電能，故不能大規模的處理，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，環保和可持續的優點。利用MFC淡化海水也將成為具有發展潛力的研究方向[11]。

（3）便攜式電源。

微生物燃料電池能夠利用環境中自然產生的燃料和氧化劑變為電能，用于替代常規能源。可以為水下無人駕駛運輸工具、環境監測設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化為二氧化碳，同時產生電子。這種植物MFCs能夠原位將太陽能直接轉換為電能[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的葡萄糖和氧氣產生能量。作為人造器官的動力源，需要長期穩定的能量供給，而人體內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研究展望

MFCs技術正在不斷成長并且已經在許多方面取得了重大突破。但是，由于其功率偏低，該技術還沒有實現真正的大規模實際應用。基于其產電性能的制約因素，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的產電理論。MFCs產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的實際應用。MFCs中產電微生物的生長代謝過程，產電呼吸代謝過程以及利用陽極作為電子受體的本質是今后的研究重點[14]。

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

（3）優化反應器的結構。研究與開發單室結構和多級串聯微生物燃料電池。利用微生物固定化技術、貴金屬修飾技術等改善電極的結構和性能。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子的材料作為陰極[15]。

（4）改進或替代質子交換膜。質子交換膜的質量與性質直接關系到微生物燃料電池的工作效率及產電能力。另外，目前所用的質子交換膜成本過高，不利于實現工業化。今后應設法提高質子交換膜的穿透性以及建立非間隔化的生物電池[16]。

6 結語

MFCs作為一種可再生的清潔能源技術正在迅速興起，并已逐步顯現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用[17]。

參考文獻

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2009

Hardback

ISBN 9781848003378

Shin’ya Obara著

燃料電池技術作為一種新型發電技術引起了越來越多人的關注,技術水平也得到了很大發展,本書介紹了由燃料電池及其它發電裝置構成的分布式發電機組所組成的微電網的相關技術,作者Shin’ya Obara為日本苫小牧國家科技學院的教授,JSME,ASME,IEEE等多個學會成員,是《The Open Fuels and Energy Science Journal》,《Journal of Computational Science and Technology》,《International Conference on Electric Power and Energy Conversion Systems》,《Applied Mathematical Modeling》等多個雜志審稿人,出版著作17本,發表科技論文100多篇。

本書分為13章。1.考慮部分負荷及負荷波動的小型燃料電池熱電聯供系統,介紹了系統的組成與布置、能量平衡與目標函數、能量輸出特性等內容;2.燃料電池供能網絡最小成本優化配置方案,介紹了系統方案、熱水管路系統釋放熱能的數量、能量平衡、成本計算與目標函數、分析方法與案例研究、分析結果等內容;3.分區協作管理模式引起的發電效率的提高,介紹了系統布置、微電網的發電效率、電力需求模型、分析方法并進行了案例研究,對分析結果進行了討論;4.采用負荷平衡及放熱損失方法考慮減小燃料電池容量的燃料電池供電系統,介紹了負荷平衡和燃料電池的布置方案、分析方法并進行了案例分析;5.柴油發電裝置與燃料電池混合互聯微電網的設備布置方案,介紹了微電網模型、混合互聯微電網模型、設備布置、混合互聯微電網運行方法、柴油發電機特性與質子交換膜型燃料電池特性、系統分析方法并進行了案例研究;6.分布式燃料電池廢熱的有效利用分析法,介紹了熱水管路放熱的途徑與數量、熱能平、熱水管路系統放熱的數量、燃料電池發電與供熱特性、能量需求方式與燃料電池容量,并進行了案例分析,對分析結果進行了研究;7.寒冷地區獨立房間燃料電池的負荷相應特性,介紹了系統布置、每部分裝置的時間常數、分析方法、分析結果與討論;8.可以控制裝置數量的燃料電池微電網的負荷響應特性,介紹了微電網的電能質量、系統中各配置裝置的響應特性、控制變量與分析方法、微電網的負荷響應特性;9.質子交換膜燃料電池與木質生物質發電機混合微電網動態特性,介紹了系統方案、質子交換膜燃料電池與斯特林發電機的控制響應特性、該混合微電網動態特性分析結果;10.考慮到部分負荷運行時效率TIGA的燃料電池與氫發動機混合系統,介紹了系統方案、設備特性,該混合系統的電力與熱能輸出特性,案例分析與結果討論;11.氫氣化城市煤氣發動機與燃料電池混合微電網二氧化碳排放分析,介紹了系統方案、設備特性、案例分析與結果討論;12.帶太陽能重整裝置的燃料電池系統的快速運算法則的發展,介紹了系統方案、能量與質量平衡、該系統的動態運行預測、案例分析與結果討論;13.燃料電池與風力發電機微電網的功率特性,介紹了微電網模型,系統布置設備的響應特性,控制參數與分析方法,微電網的負荷響應特性。

本書結構清晰,表述深入淺出,理論分析之后都有相應的案例分析,有利于對所述內容的理解。該書既可以作為電力相關專業本科生或研究生的教科書,也可以作為相關領域研究人員的參考資料。

論立勇,博士生

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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℃，其發電效率可達30%。目前國外已進入示范階段。其技術關鍵是高速軸承、高溫材料、部件加工等。可見，電工技術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換為電能的裝置。它是一種很有發展前途的潔凈和高效的發電方式，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)轉變為氫離子，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到達陽極與氫離子結合成水，外電路則形成電流。

通常，完整的燃料電池發電系統由電池堆、燃料供給系統、空氣供給系統、冷卻系統、電力電子換流器、保護與控制及儀表系統組成。其中，電池堆是核心。低溫燃料電池還應配備燃料改質器（又稱為燃料重整器）。高溫燃料電池具有內重整功能，無須配備重整器。磷酸型燃料電池（PAFC）是目前技術成熟、已商業化的燃料電池。現在已能生產大容量加壓型11MW的設備及便攜式250kW等各種設備。第2代燃料電池的溶融碳酸鹽電池（MCFC），工作在高溫（600～700℃）下，重整反應可以在內部進行，可用于規模發電，現在正在進行兆瓦級的驗證試驗。固體電解質燃料電池（SOFC）被稱為第3代燃料電池。由于電解質是氧化鋯等固體電解質，未來可用于煤基燃料發電。質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

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

目前燃料電池大規模應用的障礙是造價高，在經濟性上要與常規發電方式競爭尚需時日。

1.2.3技術關鍵和研究課題

燃料電池的技術關鍵涉及電池性能、壽命、大型化、價格等與商業化有關的項目，主要涉及新的電解質材料和催化劑。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。需要解決電池構成材料的腐蝕；電極細孔構造變化使電池性能下降等問題。固體氧化物燃料電池（SOFC）使用固體電解質且工作溫度很高,對構成材料及其加工有特殊要求。為了得到高溫下化學性穩定和致密性（不通過氣體）的電解質，在氧化鋯中加入Y2O3生成釔穩定氧化鋯。為了降低工作溫度，應盡可能減少電解質薄膜厚度。通常采用熔射法、燒結法和電化學蒸發涂層法制備電解質薄膜。實用的電解質膜的厚度為0.03～0.05mm。比較先進的已達到0.01mm。這樣薄的電解質陶瓷材料除應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子導電的電解質。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。論文百事通

2.大功率電力電子技術的應用硅片引起的“第

2.1大功率電力電子器件的重大進展

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

近年來，大功率電子器件已經廣泛應用于電力的一次系統。可控硅（晶閘管）用于高壓直流輸電已經有很長的歷史。大功率電子器件應用于靈活的交流輸電（FACTS）、定質電力技術（CustomPower）以及新一代直流輸電技術則是近10年的事。新的大功率電力電子器件的研究開發和應用，將成為電力研究前沿。新晨

2.2靈活交流輸電技術(FACTS)

靈活交流輸電技術是指電力電子技術與現代控制技術結合以實現對電力系統電壓、參數(如線路阻抗)、相位角、功率潮流的連續調節控制，從而大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統穩定水平，降低輸電損耗。

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關鍵詞：陶瓷膜 新材料

1陶瓷膜技術發展概況

陶瓷膜也稱CT膜，是固態膜的一種，最早由日本的大日本印刷公司和東洋油墨公司在1996年開發引入市場。2004年7月，北美陶瓷技術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，該設備在制備超薄陶瓷膜的生產技術上首屈一指，這同時也使得公司在制備超平、超完整陶瓷膜上的技術大大提升。

2陶瓷膜的廣泛應用

2.1提純用陶瓷過濾膜

2004年8月，由北京邁勝普技術有限公司與山東魯抗醫藥有限公司研制的陶瓷膜過濾系統用于某種抗生素的分離提純獲得成功，這不僅優化了此種抗生素的生產工藝，而目使抗生素收率提高15%，這是我國首次將陶瓷膜技術運用于抗生素生產。抗生素的分離提純，必須經過對發酵液的過濾和對濾出的藥液進行樹脂交換。目前，許多抗生素生產企業對氨基糖苷類抗生素發酵液的分離提純均采用真空轉鼓過濾器，這種工藝需先將發酵液酸化調至一定的pH值，然后用敷設助濾劑層的真空轉鼓過濾器進行預過濾，再用板框進行復濾及樹脂交換。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

在食品包裝領域，近年越來越引人注目的是具有高功能性和良好環保適應性的透明鍍陶瓷膜。這種膜盡管目前價格較高，物理性能還有待進一步改進，但可預期在不遠的將來它將在食品包裝材料中占據重要的地位。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、優良的耐蒸煮性、較好的可透過微波性與良好的環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味品包裝材料。其優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品，如茶（樟腦）之類的易揮發材質。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、預計還可用在微波容器上作為蓋材，在調味品、精密機械零配件、電子零件、藥物和醫藥儀器等方而作為包裝材料。隨著加工技術的進一步發展，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，把陶瓷膜制備技術開拓應用于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的燃料電池。電池部件薄膜化以后，降低了電池的內阻，提高了有用功率的輸出，不需要高溫的條件下實現了中溫化，操作溫度降到700-500℃[4]。這種新型燃料電池繼承了高溫SOFC的優點，同時降低了成本。此類陶瓷膜燃料電池具有廣闊的應用前景[5]。

結束語

陶瓷膜的研究始于20世紀40年代，其發展可分為3個階段：用于鈾的同位素分離的核工業時期，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為核心的全面發展的時期。

總之，隨著科學技術的發展，陶瓷膜作為一種新型的材料，在各行各業的領域中，發揮著巨大的作用。其前景也越來越廣闊。

參考文獻：

[1]詹捷，陳小安，王永剛，等.工程陶瓷材料精密加工技術.機械工藝師，1998（6）：11_12.

[2]林濱.程陶瓷超精密磨削機理與實驗研究：[博十學位論文].天津大學，1999.

篇（6）

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.09.180

1 課題背景和意義

當前技術條件下，電動汽車使用的大功率直流變換器大都有功率損耗大，能量轉換率低等缺陷。且很多設計方案大都忽略燃料電池等電源軟輸出的特性。因此，設計出符合其特性條件的大功率直流變換器，不僅可以使燃料電池的輸出特性得到改善，還可以使燃料電池得到很好的保護，延長其使用壽命。

雙向DC-DC變換器是電動汽車動力驅動系統的核心組成部件，也是構成能量雙向流動、有效管理能量以及提高動力性能的關節所在。

2 電動汽車雙向直流傳動系統

2.1 雙向DC-DC變換器的控制方式

電動汽車的電機是經典的有源型負載，因為有較寬的轉速調節范圍，在行車時又要經常的進行加減速，而且在其工作中，蓄電池電壓的變化范圍非常大。若想在一定負載范圍內使蓄電池組的電壓穩定在一較高的值上，可使用DC/DC（Direct Current-Direct Current）變換器來實現，同時還可以很大程度上提高電機的驅動性能。

2.2 雙向DC-DC變換器的應用特點

當使用雙向DC-DC變換器來直接驅動電動機旋轉時，因為電動機電流紋波與加在輸入電壓的瞬時值和反電動勢間的電壓差值成正比，則調節逆變器的直流側輸入電壓可通過雙向DC-DC變換器調控電動機的轉速來實現，進而減小其電流紋波。其次，蓄電池組或另加的大容量電容器可以通過雙向DC-DC變換器控制反向制動電流來補充電能，而使電動汽車的接車效率得以提高。

3 系統工作模式分析

雙向DC-DC變換器可使能量雙向流動，需能量雙向流動時能使系統的體重和成本大幅降低，在航空電源系統和電動汽車驅動及蓄電池充放電維護等很多方面都得到了普遍的應用。

3.1 燃料電池動力系統工作模式分析

雙半橋雙向變換器在隔離變壓器的兩側分別是一對稱半橋。兩半橋之間的移相控制變換器中的功率傳輸即可，不需額外的輔助開關或無源諧振裝置，其中所有的開關都可工作在零電壓開通狀態，且開關電壓應力較低。此外電路中不存在大型延時器，變換器動態響應也很快，因此多用作燃料電池的輔助結構。此變換器可使功率雙向流動，與其優勢在于：組件少；較大的負載范圍內實現軟開關不需要輔助器件和諧振電路；能很輕松地進行控制；能輕易分配每一個輸入端的功率。

3.2 雙向DC-DC變換器工作模式分析

要求可通過雙向DC-DC變換器來實現：在蓄電池開始工作給電時，系統中的雙向DC-DC變換器正向升壓，當系統的輸入電壓出入不夠穩定的情況時，可以把輸出主線的電壓處在一個高壓的狀態下，這時系統會立即開啟能量電池，這樣就會使電動機的工作性能得到非常大的提升，非常實用。反之，減速、剎車的時候，系統中的雙向DC-DC變換器反向降壓充電，把電動機制動時產生的附加能量回收給蓄電池組或電容補充消耗的電能。

將蓄電池、燃料電池（主電源裝置）有效地與負載結合起來，這并不是非常簡單的事，需要有一種雙端口雙向DC-DC變換器，蓄電池和逆變器接口電路選用雙端口雙半橋DC-DC變換器。

以汽車行車的各種形態為基礎，采用蓄電池、燃料電池的電動汽車驅動系統有三種不同的狀態模式：

模式1：開啟和加速的時候，負載的功率要求燃料電池和儲能電容等一起供電才可以，單獨靠燃料電池輸出是不行的；模式2：行車速度穩定時，燃料電池在為牽引電機供電的基礎上，還要給蓄電池充電，使其達到最優狀態，以免加速時不能有效的工作，有時還需要回收附加能量；模式3：減速的時候，電池不輸出電能功率，電動機反向工作在發電的形態，蓄電池吸收附加能量進行補充電能。

在模式1中，蓄電池放電，變換器升壓，向高壓側充入能量，使其上升保持在期望值；模式3 時，變換器減壓，回收制動過程中的附加能量來補充電能；模式2里，變換器處在中間狀態。通過設計合理的變換器調控方法，可以實現對附加能量的高效回收和功率的良好分配，調整電能流動方向則以負載狀況的差異為基礎來進行，進而明確變換器進行的狀態。

4 雙半橋雙向DC-DC拓撲結構

4.1 主功率的拓撲結構

雙向DC-DC變換器也有正激式、反激式、推挽式、橋式、電流饋式及其它一些混合式的隔離型變換結構。在DC-DC變換器中，由正反單管等構成的電路多普遍應用在功率不大的地方，半橋變換器多應用于中、大功率中。隔離型的DC-DC變換器當中，正激式的變壓器的磁化情況是單方向的，進而降低了其利用率。

電壓電流應力較小的半橋DC-DC變換器，其功率變壓器的磁化是雙方向的，則就大功率輸出方面實現起來也就容易許多。這類變換器有電壓型和電流型兩種。電壓型DC-DC全橋變換器電路結構簡單、容易控制，類似于Buck型；電感在輸入電源側的電流型則與Boost型相似，適用于功率因數校正的大功率電路。

4.2 控制方案

橋電路用了移相軟開關之后，可實現功率管的ZVS方案，保持開關頻率的穩定持續。但在另一方面，諧振電感會丟掉副邊一定的占空比值，也會造成環流損耗。對于副邊占空比丟失，可用可飽和電感代替諧振電感；也可用降低諧振電感的方式來解決。而對于環流，可用零電壓零電流開關來處理解決，就是用左側負責零電壓開關，右側負責零電流開關，但若想阻斷變壓器圓邊電流的反向通路，需將阻斷二極管、阻斷電容器等串接到變換器主電路中。因為元件并非是理想的，變換器運行過程中其會產生通態損耗，在輸入低電壓大電流時，經濟成本非常大。綜合考慮后，決定方案為零電壓開關結合PWM加移相控制。

參考文獻：

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以3D打印機噴嘴替代這個注射器，意味著人們可以3D打印制造包含金屬絲的塑料制品。這種液態金屬不同于液態水銀，它沒有毒性，因此可安全用于商業生產，然而這種液體金屬成本并不低，大約是制造3D塑料物品的100倍。

編譯/悠悠

蚯蚓糞便有溫度記憶 可幫助預測氣候變化

英國約克大學和雷丁大學的科學家發現預測氣候變化的“金鑰匙”就隱藏在蚯蚓的糞便中。根據他們的研究發現，蚯蚓糞便中的微小方解石顆粒能夠保留對空氣溫度的“記憶”。這種“記憶”有助于科學家預測氣候變化。

研究過程中，科學家將蚯蚓放置在不同溫度環境下，而后對糞便進行檢測。檢測結果顯示糞便中的微小方解石顆粒能夠保留對空氣溫度的“記憶”。這也就意味著通過研究蚯蚓糞便的化石樣本和測試糞便內方解石的殘余溫度，科學家便能了解地球氣候在長達數千年時間里發生的變化。

方解石是一種類似白堊的物質，它們隨溫度發生的變化可用于預測未來的氣候變化趨勢。科學家在論文中指出，在蚯蚓排便時，糞便中微小的方解石顆粒會記錄下與周圍環境溫度有關的信息。在將蚯蚓放置在不同溫度環境下進行研究之后，科學家驗證了這一點。

目前，研究人員正在年代可追溯到數千年前的考古遺址收集樣本，將描繪出一幅展示過去氣候的圖畫，同時預測未來的氣候變化趨勢。

編譯/楊孝文

地球曾有兩顆衛星另一顆“夭折”

美國加利福尼亞州大學圣克魯斯分校的月球學家埃里克·阿斯哈格教授認為地球一度擁有兩顆衛星，另一顆體積較小，誕生幾百萬年后便“夭折”。當時，這顆衛星與另一顆衛星相撞，最后香消玉殞。在英國皇家學會9月舉行的一場與月球有關的會議上，阿斯哈格將解釋他的雙衛星理論。

阿斯哈格指出：“第二顆衛星只存在了幾百萬年，隨后與另一顆衛星相撞。撞擊之后，地球就只剩下一顆衛星，也就是我們今天看到的月球。這顆衛星“夭折”前一直以相同的速度環繞地球運行同時與地球保持相同的距離。隨著時間的推移，它逐漸接近另一顆衛星，最后發生相撞。”阿斯哈格表示，他認為月球地貌應該是兩顆衛星的撞擊殘余。較小衛星的體積據悉只有另一顆衛星的大約三十分之一。

地球及其衛星據悉誕生于太陽系出現后的3000萬年至1.3億年之間。太陽系在大約46億年前形成。迄今為止，科學家共發現9顆所謂的“超級地球”。超級地球是指質量是地球1到10倍的行星。

編譯/楊孝文

滅絕百年“食尸蒼蠅”再現蹤跡

“骨骼隊長”曾是空中飛行最奇特的一種蒼蠅，它們對于新鮮的動物尸體并不感興趣，而傾向于腐爛已久的大型動物尸體。不同于多數蒼蠅物種，它們在冬季初期活動頻繁，從11月至1月，通常在黃昏之后覓食。

羅馬智慧大學研究員皮耶爾費利波·切雷蒂稱，這種蒼蠅已從人們視線中消失很久，一個多世紀前它們就被宣布滅絕消失。過去幾年，歐洲再次發現三只“骨骼隊長”蒼蠅。目前，切雷蒂和同事首次確定這種蒼蠅是一種“新模式標本”，為了更好鑒別它們，他將對比所有“骨骼隊長”蒼蠅標本。這種蒼蠅物種的學名為“Centrophlebomyia anthropophaga”，1798年首次發現于德國曼海姆地區，1830年一位科學家最早對它進行了描述，但是相關的描述僅是基于他的記憶。

這種蒼蠅之所以被命名為“骨骼隊長”是因為它們將骨骼突出高度腐爛的動物尸體作為自己的“家”，同時，發育之中的蒼蠅能夠上下跳躍，因此尸體上看上去充滿了這種蒼蠅的幼體。切雷蒂解釋稱，為了能夠在尸體中跳躍，骨骼隊長蒼蠅必須將嘴巴和尾部連接在一起，收縮背部肌肉，向上猛沖。這種昆蟲在100多年前曾一度被認為滅絕消失，現在又再次重現它們的蹤跡。通常這種蒼蠅傾向于較大的動物尸體，其中也包括人類尸體，還以腐爛蝸牛、嚙齒動物為食，研究人員還使用死魷魚和鳥類尸體作為誘餌吸引它們。

編譯/悠悠

尿液可充當燃料發電

英國的布里斯托爾機器人技術實驗室的科學家找到了一種利用尿液充當燃料進行發電的方式，成功研制出世界上第一款采用這項技術的微生物燃料電池，進而讓用尿液為手機充電成為現實。科學家表示雖然很多用戶在面對這種燃料時會捏住鼻子，但尿液卻是一種“終極廢物”，有別于飄忽不定的風能或者太陽能。

研究參與者、布里斯托爾西英格蘭大學的伊奧尼斯·伊洛普羅斯博士表示，這是世界上第一款利用尿液發電的微生物燃料電池。“在此之前，還沒有一個人將尿液

作為燃料。這是一項令人興奮的研究成果。將尿液這種終極廢物充作燃料發電是一種非常環保的做法。有一種產品的供應是無限的，那就是我們的尿液。利用尿液這種燃料讓微生物燃料電池發電，我們可以為三星手機充電。”

伊洛普羅斯是研制利用不尋常燃料的微生物燃料電池的專家。他說：“尿液型微生物燃料電池產生的電量足以讓手機收發即時短信、上網沖浪和進行簡短通話。”

編譯/楊孝文

神奇材料可讓土壤儲水一年

墨西哥化學工程師塞爾吉奧·朱斯·里克·韋拉斯克研發了一種神奇材料，能夠讓土壤的儲水時間達到一年。這種新材料名為“固體雨”，形態與糖類似，由一種被稱之為“聚丙烯酸鉀”的吸收性材料構成，所能吸收的水量是其體積的500倍。不久后，生活在干旱國家的農民便有望成為這項技術的受益者，利用這種粉末狀水對抗旱情，提高糧食產量。

篇（8）

一、通信電源的發展現狀

（一）供電系統的現狀

通信電源是通信系統必不可少的重要組成部分，其設計目標是安全、可靠、高效、穩定、不間斷地向通信設備提供能源。通信電源必須具備智能監控、無人值守和電池自動管理等功能，從而滿足網絡時代的需求。通信電源系統由交流配電、整流柜、直流配電和監控模塊組成。

（二）通信電源設備的更新換代

近年來，隨著技術的進步，特別是功率器的更新換代，新型電磁材料的不斷使用，功率變換技術的不斷改進，控制方法的不斷進步，以及相關學科的技術不斷融合，通信電源在系統的可靠性、穩定性，電磁兼容性，消除網側電流諧波、提高電能利用率、降低損耗、提高系統的動態性能等等方面都取得長足的進步。

（三）現行通信電源的電路模型和控制技術

目前通信電源的變換電路拓撲結構主要采用雙單端電路，半橋電路和全橋電路，各有優缺點。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、通信電源發展趨勢

（一）開關器件的發展趨勢

電源技術的精髓是電能變換，即利用電能變化技術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，開關電源在電源技術中占有重要地位，從10kHz發展到高穩定度、大容量、小體積、開關頻率達到兆赫茲級，開關電源的發展為高頻變化提供了硬件基礎，促進了現代電源技術的繁榮和發展。

（二）通信直流電源產品的技術發展市場需求發展

在需求與技術的共同推動下，通信直流電源產品體現了如下的發展態勢：

體系架構相當長的一段時間內維持穩定。通信直流電源在相當長的時間內還是維持現有的交流配電、整流器模塊(并聯)、直流配電、監控單元、蓄電池等為主要組成部分的架構；功率變換模式也將維持現有的高頻開關模式，暫時不會出現類似從線性電源到開關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定，一定程度制約了整機系統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、通信電源技術的成熟，以及各通信直流電源設備廠家在可靠性研究上大力投入，通信直流電源產品可靠性呈不斷提高的趨勢。

按照TRIZ理論(“創造性解決問題的理論”的俄語縮略語)描述的技術系統發展進化規律，一般而言，技術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，開關電源技術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，通信直流電源產品將進入一個緩慢發展的階段，直至有一天，一種新的電源變換技術出現，通信直流電源產品就會再出現一個階躍性的發展，就像開關穩壓技術替代線性穩壓技術，給電源帶來了革命性的變化。

（三）通信用蓄電池技術研究的新進展

通信用蓄電池作為通信系統后備的能源供應手段，其研制、生產和應用技術一直備受世界各國通信行業的重視。隨著科技的發展和技術的不斷進步，國外正在研制和試驗新一代的通信用蓄電池，有的已經進入商用化階段。這些新的蓄電池，由于其材料、結構和技術上的先進性，在性能上具有傳統的VRLA電池無可比擬的優越性。

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，經過內部電極、催化劑和堿性電解液的作用，就能產生0.9V電壓的直流電能，同時產生大量的熱能.

3．電源監控系統的發展。隨著互聯網技術應用日益普及和信息處理技術的不斷發展，通信系統從以前的單機或小局域系統逐漸發展至大局域網系統或廣域網系統，大量人力、物力被投入到網絡設備的管理和維護工作上。不過通信設施所處環境越來越復雜，人煙稀少、交通不便都會增大維護的難度，這對電源設備的監控管理提出了新的需求，保護通信互聯網終端的電源設備必須具備數據處理和網絡通信能力。此時，數字化技術就表現出了傳統模擬技術無法實現的優勢，數字化技術的發展逐步表現出傳統模擬技術無法實現的優勢.

4．通信電源的環保要求。環保問題，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的負載特性，減少給電網帶來嚴重污染的情況，還可減少對其他網絡設備的諧波干擾。另一個重要方面，是材料的可循環利用和環境的無污染，這方面需要產品滿足WEEE/ROHS指令。

在通信電源開發、生產早期，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，波峰因數大于純電阻負載的1.4倍。這些諧波電流大的電源給電網帶來了嚴重的污染，使電網波形失真，實際負荷能力降低，對于三相四線制的電網來說，還很有可能因中性線電流過大而出現不安全隱患。

參考文獻：

[1]朱雄世，《通信電源的現狀與展望》.

[2]《淺析全球通信電源技術發展趨勢》.

[3]《通信直流電源發展趨勢》.

[4]孫向陽、張樹治，《國外通信用蓄電池技術研究的新進展》.

[5]《通信電源技術發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展方向》.

[8]王改娥、李克民，《我國通信電源的發展回顧與展望》.

[9]侯福平，《UPS系統在通信網絡中使用的特點及要求》.

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    一、通信電源的發展現狀

    (一)供電系統的現狀

    通信電源是通信系統必不可少的重要組成部分,其設計目標是安全、可靠、高效、穩定、不間斷地向通信設備提供能源。通信電源必須具備智能監控、無人值守和電池自動管理等功能,從而滿足網絡時代的需求。通信電源系統由交流配電、整流柜、直流配電和監控模塊組成。

    (二)通信電源設備的更新換代

    近年來,隨著技術的進步,特別是功率器的更新換代,新型電磁材料的不斷使用,功率變換技術的不斷改進,控制方法的不斷進步,以及相關學科的技術不斷融合,通信電源在系統的可靠性、穩定性,電磁兼容性,消除網側電流諧波、提高電能利用率、降低損耗、提高系統的動態性能等等方面都取得長足的進步。

    (三)現行通信電源的電路模型和控制技術

    目前通信電源的變換電路拓撲結構主要采用雙單端電路,半橋電路和全橋電路,各有優缺點。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、通信電源發展趨勢

    (一)開關器件的發展趨勢

    電源技術的精髓是電能變換,即利用電能變化技術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,開關電源在電源技術中占有重要地位,從10kHz發展到高穩定度、大容量、小體積、開關頻率達到兆赫茲級,開關電源的發展為高頻變化提供了硬件基礎,促進了現代電源技術的繁榮和發展。

    (二)通信直流電源產品的技術發展市場需求發展

    在需求與技術的共同推動下,通信直流電源產品體現了如下的發展態勢:

    體系架構相當長的一段時間內維持穩定。通信直流電源在相當長的時間內還是維持現有的交流配電、整流器模塊(并聯)、直流配電、監控單元、蓄電池等為主要組成部分的架構;功率變換模式也將維持現有的高頻開關模式,暫時不會出現類似從線性電源到開關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定,一定程度制約了整機系統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、通信電源技術的成熟,以及各通信直流電源設備廠家在可靠性研究上大力投入,通信直流電源產品可靠性呈不斷提高的趨勢。

    按照TRIZ理論(“創造性解決問題的理論”的俄語縮略語)描述的技術系統發展進化規律,一般而言,技術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,開關電源技術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,通信直流電源產品將進入一個緩慢發展的階段,直至有一天,一種新的電源變換技術出現,通信直流電源產品就會再出現一個階躍性的發展,就像開關穩壓技術替代線性穩壓技術,給電源帶來了革命性的變化。

    (三)通信用蓄電池技術研究的新進展

    通信用蓄電池作為通信系統后備的能源供應手段,其研制、生產和應用技術一直備受世界各國通信行業的重視。隨著科技的發展和技術的不斷進步,國外正在研制和試驗新一代的通信用蓄電池,有的已經進入商用化階段。這些新的蓄電池,由于其材料、結構和技術上的先進性,在性能上具有傳統的VRLA電池無可比擬的優越性。

    1.釩電池(Vanadium Redox Battery)。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,經過內部電極、催化劑和堿性電解液的作用,就能產生0.9V電壓的直流電能,同時產生大量的熱能.

    3.電源監控系統的發展。隨著互聯網技術應用日益普及和信息處理技術的不斷發展,通信系統從以前的單機或小局域系統逐漸發展至大局域網系統或廣域網系統,大量人力、物力被投入到網絡設備的管理和維護工作上。不過通信設施所處環境越來越復雜,人煙稀少、交通不便都會增大維護的難度,這對電源設備的監控管理提出了新的需求,保護通信互聯網終端的電源設備必須具備數據處理和網絡通信能力。此時,數字化技術就表現出了傳統模擬技術無法實現的優勢,數字化技術的發展逐步表現出傳統模擬技術無法實現的優勢.

    4.通信電源的環保要求。環保問題,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的負載特性,減少給電網帶來嚴重污染的情況,還可減少對其他網絡設備的諧波干擾。另一個重要方面,是材料的可循環利用和環境的無污染,這方面需要產品滿足WEEE/ROHS指令。

    在通信電源開發、生產早期,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,波峰因數大于純電阻負載的1.4倍。這些諧波電流大的電源給電網帶來了嚴重的污染,使電網波形失真,實際負荷能力降低,對于三相四線制的電網來說,還很有可能因中性線電流過大而出現不安全隱患。

    參考文獻:

    [1]朱雄世,《通信電源的現狀與展望》.

    [2]《淺析全球通信電源技術發展趨勢》.

    [3]《通信直流電源發展趨勢》.

    [4]孫向陽、張樹治,《國外通信用蓄電池技術研究的新進展》.

    [5]《通信電源技術發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展方向》.

    [8]王改娥、李克民,《我國通信電源的發展回顧與展望》.

    [9]侯福平,《UPS系統在通信網絡中使用的特點及要求》.

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通信電源是通信系統必不可少的重要組成部分，其設計目標是安全、可靠、高效、穩定、不間斷地向通信設備提供能源。通信電源必須具備智能監控、無人值守和電池自動管理等功能，從而滿足網絡時代的需求。通信電源系統由交流配電、整流柜、直流配電和監控模塊組成。

（二）通信電源設備的更新換代

近年來，隨著技術的進步，特別是功率器的更新換代，新型電磁材料的不斷使用，功率變換技術的不斷改進，控制方法的不斷進步，以及相關學科的技術不斷融合，通信電源在系統的可靠性、穩定性，電磁兼容性，消除網側電流諧波、提高電能利用率、降低損耗、提高系統的動態性能等等方面都取得長足的進步。

（三）現行通信電源的電路模型和控制技術

目前通信電源的變換電路拓撲結構主要采用雙單端電路，半橋電路和全橋電路，各有優缺點。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、通信電源發展趨勢

（一）開關器件的發展趨勢

電源技術的精髓是電能變換，即利用電能變化技術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，開關電源在電源技術中占有重要地位，從10kHz發展到高穩定度、大容量、小體積、開關頻率達到兆赫茲級，開關電源的發展為高頻變化提供了硬件基礎，促進了現代電源技術的繁榮和發展。

（二）通信直流電源產品的技術發展市場需求發展

在需求與技術的共同推動下，通信直流電源產品體現了如下的發展態勢：

體系架構相當長的一段時間內維持穩定。通信直流電源在相當長的時間內還是維持現有的交流配電、整流器模塊(并聯)、直流配電、監控單元、蓄電池等為主要組成部分的架構；功率變換模式也將維持現有的高頻開關模式，暫時不會出現類似從線性電源到開關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定，一定程度制約了整機系統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、通信電源技術的成熟，以及各通信直流電源設備廠家在可靠性研究上大力投入，通信直流電源產品可靠性呈不斷提高的趨勢。

按照TRIZ理論(“創造性解決問題的理論”的俄語縮略語)描述的技術系統發展進化規律，一般而言，技術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，開關電源技術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，通信直流電源產品將進入一個緩慢發展的階段，直至有一天，一種新的電源變換技術出現，通信直流電源產品就會再出現一個階躍性的發展，就像開關穩壓技術替代線性穩壓技術，給電源帶來了革命性的變化。

（三）通信用蓄電池技術研究的新進展

通信用蓄電池作為通信系統后備的能源供應手段，其研制、生產和應用技術一直備受世界各國通信行業的重視。隨著科技的發展和技術的不斷進步，國外正在研制和試驗新一代的通信用蓄電池，有的已經進入商用化階段。這些新的蓄電池，由于其材料、結構和技術上的先進性，在性能上具有傳統的VRLA電池無可比擬的優越性。

[論文關鍵詞]：通信電源通信網現狀發展趨勢

[論文摘要]：通信電源是向通信設備提供交直流電的電能源，是整個通信電信網的能量保證。通信電源系統由交流供電系統、直流供電系統和相應的保護系統構成。通信電源系統的設備多，分布廣，不僅單個電源設備的可靠性會影響系統的可靠性，電源系統的總體結構也會對自身的可靠性造成很大的影響。

一、通信電源的發展現狀

（一）供電系統的現狀

通信電源是通信系統必不可少的重要組成部分，其設計目標是安全、可靠、高效、穩定、不間斷地向通信設備提供能源。通信電源必須具備智能監控、無人值守和電池自動管理等功能，從而滿足網絡時代的需求。通信電源系統由交流配電、整流柜、直流配電和監控模塊組成。

（二）通信電源設備的更新換代

近年來，隨著技術的進步，特別是功率器的更新換代，新型電磁材料的不斷使用，功率變換技術的不斷改進，控制方法的不斷進步，以及相關學科的技術不斷融合，通信電源在系統的可靠性、穩定性，電磁兼容性，消除網側電流諧波、提高電能利用率、降低損耗、提高系統的動態性能等等方面都取得長足的進步。

（三）現行通信電源的電路模型和控制技術

目前通信電源的變換電路拓撲結構主要采用雙單端電路，半橋電路和全橋電路，各有優缺點。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、通信電源發展趨勢

（一）開關器件的發展趨勢

電源技術的精髓是電能變換，即利用電能變化技術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，開關電源在電源技術中占有重要地位，從10kHz發展到高穩定度、大容量、小體積、開關頻率達到兆赫茲級，開關電源的發展為高頻變化提供了硬件基礎，促進了現代電源技術的繁榮和發展。

（二）通信直流電源產品的技術發展市場需求發展

在需求與技術的共同推動下，通信直流電源產品體現了如下的發展態勢：

體系架構相當長的一段時間內維持穩定。通信直流電源在相當長的時間內還是維持現有的交流配電、整流器模塊(并聯)、直流配電、監控單元、蓄電池等為主要組成部分的架構；功率變換模式也將維持現有的高頻開關模式，暫時不會出現類似從線性電源到開關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定，一定程度制約了整機系統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、通信電源技術的成熟，以及各通信直流電源設備廠家在可靠性研究上大力投入，通信直流電源產品可靠性呈不斷提高的趨勢。

按照TRIZ理論(“創造性解決問題的理論”的俄語縮略語)描述的技術系統發展進化規律，一般而言，技術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，開關電源技術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，通信直流電源產品將進入一個緩慢發展的階段，直至有一天，一種新的電源變換技術出現，通信直流電源產品就會再出現一個階躍性的發展，就像開關穩壓技術替代線性穩壓技術，給電源帶來了革命性的變化。

（三）通信用蓄電池技術研究的新進展

通信用蓄電池作為通信系統后備的能源供應手段，其研制、生產和應用技術一直備受世界各國通信行業的重視。隨著科技的發展和技術的不斷進步，國外正在研制和試驗新一代的通信用蓄電池，有的已經進入商用化階段。這些新的蓄電池，由于其材料、結構和技術上的先進性，在性能上具有傳統的VRLA電池無可比擬的優越性。

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，經過內部電極、催化劑和堿性電解液的作用，就能產生0.9V電壓的直流電能，同時產生大量的熱能.

3．電源監控系統的發展。隨著互聯網技術應用日益普及和信息處理技術的不斷發展，通信系統從以前的單機或小局域系統逐漸發展至大局域網系統或廣域網系統，大量人力、物力被投入到網絡設備的管理和維護工作上。不過通信設施所處環境越來越復雜，人煙稀少、交通不便都會增大維護的難度，這對電源設備的監控管理提出了新的需求，保護通信互聯網終端的電源設備必須具備數據處理和網絡通信能力。此時，數字化技術就表現出了傳統模擬技術無法實現的優勢，數字化技術的發展逐步表現出傳統模擬技術無法實現的優勢.

4．通信電源的環保要求。環保問題，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的負載特性，減少給電網帶來嚴重污染的情況，還可減少對其他網絡設備的諧波干擾。另一個重要方面，是材料的可循環利用和環境的無污染，這方面需要產品滿足WEEE/ROHS指令。

在通信電源開發、生產早期，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，波峰因數大于純電阻負載的1.4倍。這些諧波電流大的電源給電網帶來了嚴重的污染，使電網波形失真，實際負荷能力降低，對于三相四線制的電網來說，還很有可能因中性線電流過大而出現不安全隱患。

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[9]侯福平，《UPS系統在通信網絡中使用的特點及要求》.

[10]《全球通信電源技術發展呈現五大趨勢》.

[11]《通信電源需求現狀分析》.

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隨著核能、太陽能、風能等新能源技術的逐步成熟和應用成本逐步降低，新能源產業開始在世界范圍內崛起。中國是世界上第二大能源生產國和消費國，但由于新能源產業的核心技術基本都在國外，而重大的制造設備和關鍵零部件基本靠進口，使得我國新能源產品的成本過高，不僅使得新能源產品在國際上缺乏競爭力，同時也造成國內風電、核電等的價格居高不下，從而在國內消費市場難以打開局面，在內需萎靡，國際市場利潤空間受控的情況下，我國新能源產業要想壯大成國民支柱產業前景渺茫。而自金融危機以后，各國經濟對新能源產業給予了重望，在國外市場需求的突然增加與國內環保壓力的共同推進下中國新能源產業將迎來重大的發展機遇，因此當前如何克服發展的技術瓶頸對于新能源產業來說尤為重要。

1　當前我國新能源產業的發展現狀

伴隨著國際上低碳經濟的呼聲越來越高，我國新能源產業近兩年獲得了快速的膨脹，但由于擴張的速度太快，使得新能源產業的發展陷入無序的狀態，特別是近兩年快速擴張的風電、多晶硅等新興產業出現明顯的重復建設傾向，新能源產業這種“虛熱”的狀態，不得不引起我們高度的重視。

①風電產業——失衡的產業鏈。中國風電產業在2005年《可再生能源法》實施之后，連續4年實現新增裝機容量翻番，2008年中國風電裝機1221萬kW，已占全球總裝機的10％，已成為亞洲第一、世界第四的風電大國，僅排在美國、德國、西班牙之后。但是，在競相上馬的風電項目背后，卻是微不足道的經濟效益，風電產業陷入產能過剩的尷尬境遇。截至2008年底，風電裝機容量只占到全國電力總裝機容量的1.13％，而發電量更是只占區區0.37％。同時，內蒙古約有三分之一的風電并網項目處于閑置狀態；甘肅酒泉已經投運的46萬kW風電裝機最大發電出力只能達到65％左右。國內風電產業面臨的主要問題主要集中在產能過剩、成本過高、機組質量和電網模式制約等方面。

而從風電產業的產業鏈上來講，嚴重失衡。今年上的風電項目都集中在風機制造一端，這是因為我國目前風電場建設的高歌猛進，催生了風電設備的巨大需求，使得風機制造項目一哄而上，造成了風電產業鏈的結構性失衡，所以我們說風電過熱過剩其實指的是風電產業的這種結構性過剩。國內風電整機生產企業超70家，超過全球其他地區風電設備廠商總和。目前，不僅在整機市場上存在著過多企業涌入的狀況，在葉片市場也出現了一哄而上的現象。盡管風電大小企業如雨后春筍般成立，在核心技術和關鍵零部件等方面，生產企業走的卻是清一色的引進路線。

②光伏產業——國外環保事業的打工仔。國際上新技術的發展與應用，促使太陽能發電成本大大降低，美國工業體系大約在0.21美元左右，這一數值已經相當接近于火電價格的成本。而且成本還將進一步的下降，可以預期不遠的將來光伏產業將會迎來一個爆發的增長期。我國光伏產的發展也是隨著國外的需求而近年來得到了快速發展，最近5年的年平均增長率在40％以上，其擴展主要在海外市場。按照國家制定的發展計劃，至2010年，中國光伏發電的累計安裝量將不會超過300MW，因此目前光伏產業的主要市場仍將在海外。

目前國內光伏產業上游多晶硅產業擴張迅猛，價格回落預期強烈，多晶硅行業的暴利時代將逐漸走結束。而且由于金融危機影響了下游光伏需求，許多曾出臺龐大擴產計劃的多晶硅制造商必將推遲或取消其部分后期項目，近幾年將發生無情的洗牌。下游太陽能電池制造業將擺脫多晶硅原料產能瓶頸，行業毛利率將會有所回升。

但是，中國的太陽能電池生產最主要的原料晶體硅，我國礦產儲存很少，因此不得不從歐洲和日本高價進口。加工制成太陽能電池后，再返銷回當地，這種發展模式無疑等同于擔任著國外環保事業“打工仔”的角色。

③其他產業的發展。在新能產業領域，我國太陽能熱水器產業近幾年發展迅速，產品推廣很快，目前國內太陽能熱水器安裝總量達到13284萬m3，占全球安裝總量的70％以上，產業形態也逐步走向成熟。在國際生物燃料產業化風潮的促進下，我國生物燃料產業近年發展很快，2008年中國燃料乙醇產量達到190萬t，受糧食產量制約，我國近期不再擴大以糧食為原料的燃料乙醇生產。為了擴大生物燃料來源，我國已自主開發了以甜高粱莖稈為原料生產燃料乙醇的技術(稱為甜高梁乙醇)，并開展了甜高梁的種植及燃料乙醇生產試點。另外，我國也在開展纖維素制取燃料乙醇的技術研究開發，如果農林廢棄物纖維素制取燃料乙醇或合成柴油的技術實現突破，生物燃料年產量可達到上億噸，從理論上講，我國生物燃料的發展潛力還是很大的，但目前還處于起步階段，其產業化的進程還很緩慢。總體來講部分新能源細分產業在國內市場仍未完全啟動，雖然目前發展態勢來看還不錯，但是如果不加快新能源產業領域核心技術的研發與應用，以及加強行業的規范與引導，新能源產業泡沫無疑將會發展成為中國經濟將來發展的又一隱患。

2　我國新能源產業發展的技術瓶頸

我國新能源企業的大多規模小，核心技術對外依存度高，關鍵設備和零部件主要靠引進，企業自主研發能力薄弱。有數據顯示我國新能源技術的專利集中在高校和科研院所，這一方面說明我國對于新能源技術研發的投資重點在高校和科研院所，同時又從另一個方面說明我國新能源企業自主研發能力低下，從而制約了我國新能源技術產業化轉化的效率和能力。當前我國新能源產業發展的技術瓶頸主要有以下幾方面：

①戰略產品缺乏核心技術大幅縮減了產業的利潤空間。總體來說我國新能源產品的技術水平偏低，而且核心技術多依賴國外。比較有代表性的是光伏產業，目前太陽能的利用的效率主要依賴于電池的性能，而我國太陽能電池生產的上游產品最重要的專用原材料單晶硅基本都靠進口，由于前期生產過快的擴大，競爭變得異常激烈，因為缺乏核心技術，使得我國這些企業的利潤大幅下降，后期的發展不容樂觀。

②設備與制造技術落后使得新能源產業發展缺乏后勁。這個問題在風電、核電等產業都很突出。風電機組制造技術是風電發展的核心，而目前我國風電整機總體設計和關鍵零部件設計制造仍是制約我國風電產業發展的瓶頸。目前我國風電建設遠遠落后于世界發展，其主要原

因是，沒有加大力度依靠國內雄厚的機電制造業基礎，吸收引進國外先進技術對風電成套設備進行自主開發。隨著世界風力發電設備制造水平提高，更大的單機容量已經是全球風能技術發展的趨勢。據了解，國外風電機組目前已達到兆瓦級，如美國主流1.5MV，丹麥主流2.0～3.0MV，在2004年的漢諾威工業博會上4.5MV的風電機組也已面世。而迄今為止，我國在這一技術上處于落后位置，尚不具備自行開發制造大型風電機組的能力，且在機組總體設計技術，特別是槳葉和控制系統及總裝等關鍵性技術上落后于歐美發達國家，且機組質量普遍不高，易出現故障，這就使國產設備的競爭力面臨嚴峻的考驗。

③新能源并網應用技術滯后形成了新能源的消費瓶頸。我國風電、光伏電站一般處于偏遠地帶后，電網負荷小，不能滿足大規模風電接人的要求，特別是近幾年隨著新能源發電裝機容量的大幅提升必然對電網提出更高的建設要求。典型的例子便是，西北、東北和華北本是我國風電資源相對豐富的地區，但這些地區大部分處于電網產業的末梢，電網基礎設施建設較為薄弱，因而難以對當地的風電資源進行充分有效利用。就全國來看，如業內人士所言，我國風電裝機容量雖然在2008年底已突破1200萬kW，但其中僅有800萬kW的裝機容量入網發電。將來新能源的發展迫切需要在電網的系統接入、并網技術標準、并網管理等方面開展突破性工作。

3　對策思路

①做好新能源產業發展戰略規劃，進行超前布局。新能源是一個新興的產業，我們應該做好超前布局和規劃，為新能源產業的發展建立良好的政策環境。政府應該提前進行新能源產業發展的關鍵技術、共性技術進行攻關從戰略上提前布局，只有這樣我們的新能源產業才能克服當前發展的核心技術不足的軟肋，迎頭趕上甚至超越發達國家。

②建立起行業標準，引導規范新能源產業的發展。逐步建立和完善新能源產品的標準體系，以及質量控制體系，選擇有特色的創新能力較強的地區，發展新能源產業基地，構建比較完善的產業鏈，促進新能源產業的積聚式發展。