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被誉为新一代环保车型的燃料电池汽车可不使用传统化石燃料，而以来源丰富的氢气作为燃料，运行后的排放物只有水，且不排放CO2。燃料电池汽车通过电机驱动车辆，可兼顾静音性与良好的行驶性能，燃料填充时间较短，并能确保与内燃机汽车相近的续航里程。各汽车制造商目前正在积极开展针对燃料电池汽车的研发与推广工作。介绍了丰田公司燃料电池系统(TFCS)及燃料电池堆的结构、设计与控制。着重阐述了燃料电池系统的1项核心技术，即“水管理控制技术”，以及基于燃料电池堆的设计过程与燃料电池堆内部状态的可视化及计测技术。

0 前言

近年来，由于地球温室效应日益加剧，石油资源也在日渐枯竭，能源安全(尤指稳定供应能源等)问题得以不断凸显，运行中不产生CO2的新能源汽车逐渐引起了广泛关注。丰田公司于近期设立了“CO2零排放目标”，并提出到2050年，提高新能源汽车的销售比例，目前正在对此开展相关研究(图1)。

FCV 具有以下特点：(1)以氢气作为燃料，氢气可通过化石燃料在内的多种能源进行制取，来源广泛；(2)行驶中的排放物只有水；(3)由于主要驱动装置是电机，所以可充分兼顾静音性与良好的行驶性能；(4)具有较短的燃料填充时间，同时能确保与内燃机汽车相近的续航里程。目前，社会各界正迫切希望该类环保车型得以实用化。考虑到FCV的诸多优点，研究人员认为FCV同样也可满足中长距离的运输需求(图2)。丰田公司于2014年在世界范围内首开先河，上市销售了量产型FCV“MIRAI”车型。此外，丰田公司于2018年上市销售了沿用了该燃料电池系统的新型燃料电池城市客车“SORA”(图3)，而且针对轻型货车的验证评审也正在逐步开展中(图4)。

1 丰田公司燃料电池系统

丰田公司将混合动力技术定位成新能源汽车的核心技术，将混合动力系统的发动机替换为燃料电池系统，将燃油箱替换为丰田公司的燃料电池系统(TFCS)(图5)。

燃料电池系统由进行发电的燃料电池堆、供应氢燃料的氢气系统、供应氧气的空气系统，以及冷却系统所构成(图6)。燃料电池堆发出的电能通过燃料电池升压转换器向主驱动电机及高电压蓄电池等高压系统供电(图7)。就对燃料电池堆发电有着重要影响的电解质传导性而言，其灵敏度会随着附近环境的相对湿度而发生显著变化。不仅如此，反应过程中生成的水会影响到燃料电池堆内的燃料供应过程，因而对生成水的管理可谓至关重要。本文论述了基于燃料电池堆水管理而进行的相关设计与系统控制。

2 燃料电池堆

燃料电池堆通过设计单电池的电极面积和单电池数量，从而获得所需的电能。在通常情况下，单电池由作为氢气与氧气反应部位的膜电极总成(MEA)、显微渗透层(MPL)、气体扩散层(GDL)、用于从外部供应氢气和空气的气体通道，以及隔板等部件构成(图8)。

丰田公司通过对燃料电池流道及MEA 进行改进，使燃料电池系统实现了高密度化。此外，由于对单电池内部弹簧机构的有效应用，简化了电池的连接构件。同时，由于电池本身的薄型化，缩小了体积尺寸。而且，随着隔板材质的调整，电池全重有效减轻了，使电池具备较高的功率密度( kW/L 与 kW/kg，图9)。结果表明，燃料电池电极铂催化剂的使用量还降低了(图10)。不仅如此，为避免降低接触阻力并确保耐蚀性，隔板的表面处理工艺也从电镀金处理调整为较廉价的聚合非晶碳镀层(PAC)，从而显著降低了成本。

 高电流密度化

电池性能是由理论起动电压的损失(超电压)所决定的。超电压总体可分为以下3类：源于催化反应的“活性化超电压”，源于电子、质子移动的“电阻超电压”和源于反应过程的“浓度超电压”(图11)。就聚合物电解质燃料电池(PEFC)而言，由于发电过程中生成的水处于液相状态，单电池内的气体扩散受阻会导致浓度超电压进一步恶化。另一方面，在易于形成蒸汽的高温区，由于电解质附近的相对湿度有所降低，作为质子移动电阻的电阻超电压也会相应增加。通过以上分析，如要实现燃料电池的高电流密度化，针对发电过程中生成的水而开展的构件设计及控制是至关重要的，为燃料电池水管理技术的核心理念。

 降低浓度超电压

在低温及普通运转温度区，由于发电而生成的水会滞留于空气极侧的电池流道、GDL、MPL 及MEA中，从而产生浓度超电压。在通常情况下，与气体流道不接触的GDL及MEA内容易积存液态水。而在丰田的MIRAI车型上配装的燃料电池堆的单元流道结构，采用了3D细网格状结构。在优化了氧气供应并排出液态水的同时，由于隔板表面具有一定亲水性，将液态水导向流道表面，进而降低了浓度超电压(图12、图13)。此外，在GDL内，通过调整碳素纤维与黏合剂的比例以实现最优化。而在MPL方面，通过实现碳黑颗粒的粗颗粒化而降低透水压力，使气体扩散性提高约2倍，进而降低了浓度超电压。

 降低电阻超电压

为了确保PEFC中电解质的质子传导性能，需使电解质周围环境保持湿润状态。在常规的燃料电池系统中，通过加湿器可排出反应中生成的水，将其返回燃料电池堆并进行加湿处理。配装在MIRAI车型上的TFCS，可通过结构简化以提高可靠性。丰田公司以降低成本为目标，取消了该类加湿器，基于自加湿理念而对各个构件进行设计，由此实现了与以往相似的高温性能(图14)。自加湿的工作机理是在干燥的空气入口处通过氢气极对空气进行加湿。该设计方式不仅兼顾了各个构件，而且与冷却水流量及氢循环泵流量等系统实现了有机结合。

燃料电池在高温状态下运转时，空气极入口湿度会相对较低。在MEA 内部的催化剂附近，质子传导性会逐渐恶化，进而会使电阻超电压有所增加。在外观上，催化剂有效表面积减少，使燃料电池性能恶化。通过增加包覆催化剂电解质官能团的方式，以确保催化剂有效表面积的不变。在提高质子传导性的同时，通过电解质/载体碳比率的最佳化及催化剂载体碳的实心化，即使在低湿度环境下，也能有效增加催化剂的表面积。同时，通过该措施还实现了单电池流道形状的最佳化，有效抑制了空气极入口处的干燥趋向。除了针对上述构件的设计过程外，由于系统自身运转条件得以最佳化，即便在高温环境下，单电池的发电过程也可处于稳定运行状态，从而将超电压的发生可能性控制在最小限度以内(15、图16)。

另一方面，由于燃料电池在低湿度条件下进行发电会出现游离基浓缩现象，导致电解质化学性能逐步老化。同时，由于薄膜化会引起机械特性降低，进而导致薄膜裂纹等问题。研究人员采取的对策包括向电极添加游离基淬灭材料，降低铁离子污染，以及利用3D细网流道使电极表面压力均匀化，以此确保了其耐久性能(图17)。

3 燃料电池堆的水管理控制

为使燃料电池堆的发电性能时常保持在最佳状态，研究人员根据交流阻抗法，并通过车载装置计测了MEA构件的电阻，进而对燃料电池的运转条件进行调整。

 基于交流阻抗法的含水量计测

图18示出了常规燃料电池的等效电路。图中Rohm为电解质膜的电阻，Rvoid为GDL的电阻，Rion为电解质的电阻。这些电阻会随着含水率的不同而发生变化。在处于适度的湿润状态时，各部位电阻值均保持在较低状态。在冷却过程中，由于GDL内部液态水大量存在，导致扩散阻力有所增加，所以Rvoid值会相应增大。相反，在高温运转时等含水率较低的状态下，Rohm和Rion会有所增大，并产生电阻超电压。

燃料电池升压转换器(图7)的直流指令电流值是通过重叠高频与低频的2种正弦波电流值而进行计测的。Rohm是通过高频正弦波重叠电流计测的阻抗值(HFR)而计算得出的。另一方面，Rvoid是根据LFR，再针对Rohm及Rion进行计算而得出的。

 燃料电池堆的自加湿控制

TFCS在高温状态下运转时，改变氢气极的工作条件以进行水管理。为使水得以有效分配到氢气极表面，根据相关运转条件，可通过控制氢气泵以增加氢循环量。在确保了必要的氢循环量之后，通过降低氢气极入口压力的方式，促使氢气极表面的水实现不断流动。由于上述对策的运用，催化剂附近环境较为湿润，即便不采用外部加湿处理，也能有效提高系统运转时的环境温度(图19)。

 燃料电池高温运转时的水管理控制

以计测方式得出的阻抗值为基础，控制MIRAI车型氢气泵流量、燃料电池水温等参数，由此进行水管理。图20表示进行水管理控制时车辆在较陡坡道上高速行驶时的评价结果。图21则示出了在未进行水管理控制的条件下，车辆在较陡坡道上高速行驶时的评价结果。在进行水管理控制的条件下，Rohm数值较为稳定，冷却水温度上升情况受到抑制，由此可以得到燃料电池堆的输出功率。另一方面，在未进行水管理控制的条件下，由于受到冷却水温度的影响，阻抗值出现了较大的变动，同时也无法确保同样的输出功率。此时，燃料电池堆的电池特性也面临着同样问题，即在全电流区的阻抗值较高，无法输出规定的电压。可认为该现象是电解质膜等部件的电阻超电压有所增加的原因之一(图22)。另外，由于电压降低，燃料电池堆的发热情况也会逐步加剧，进而导致冷却水温度上升。该结果表明，电解质及电解质膜的含水率有所降低，导致燃料电池发电特性面临着进一步恶化的现象。

由以上分析可知，水管理控制可使电解质膜等部件处于稳定状态并得以润湿，同时改善燃料电池堆的发电特性，并能有效抑制冷却水温度的上升。

 0 ℃下起动时的水管理控制

燃料电池系统在0 ℃下起动时面临的主要问题是燃料电池系统内部的残留水及由于发电过程中生成的水会出现冻结现象，无法向MEA 及时供应工作所需的氢气与氧气。由此面临的最恶劣情况即为燃料电池无法正常发电。

图23示出了在0 ℃环境下的系统控制流程图。在0 ℃环境下燃料电池系统采用的水管理技术理念主要是确保起动时气体供应系统得以正常运转。在水即将冻结时，采用可使燃料电池系统升温到0 ℃以上的“快速暖机”控制系统。

 降低含水量控制

通过测量阻抗值，可以计算出燃料电池堆发电部位的含水量。GDL内的含水量能充分利用Rvoid进行管理。降低含水量控制是在运转过程中及系统停止运行时，控制冷却水温度、空气流量、氢气循环量等参数，并合理调节阻抗值，以便即使在0 ℃以下的环境内进行起动时，也不会面对由于气体扩散所导致的问题，从而使燃料电池实现顺利起动(图24)。

 快速暖机控制

在燃料电池堆的温度处于0 ℃以下时，发电特性比正常运转时更低。同时，由于生成的水逐渐冻结，导致燃料电池堆无法实现持续发电(图25)。因此，当冷起动时的温度在0 ℃以下时，为了能继续发电，须使燃料电池堆的温度处于0 ℃以上。

燃料电池堆在发电时，随着各类能量损失的出现，会同时出现发热现象。燃料电池堆处于正常运转工况时，须使发热量处在最小限度内，并高效运转。如需实现燃料电池堆的快速升温，应降低反应过程所需的空气量，进而逐渐增大浓度超电压(图26)。

图27示出了在-15 ℃温度环境下的快速暖机控制。根据燃料电池温度为-15 ℃时的实际车辆评价结果，从系统校验后的8 s开始，燃料电池堆即可进行发电。由于一方面须维持一定的输出功率，另一方面须缓慢地降低电压，使燃料电池堆的发热量有所增加，最终将燃料电池输出功率控制为5~90 kW。此外，目前已确认了燃料电池堆可在32 s左右的时间内增温至0 ℃以上。

4 结语

本文以燃料电池系统的1项核心技术“水管理”为研究对象。运用可视化及计测技术，实现了定量化处理，将该技术有效运用于燃料电池堆的设计与系统控制过程中。水管理是燃料电池堆的1项关键技术，今后还将依据相关原理，对燃料电池堆的运作机理进行说明，从而推进燃料电池堆系统的小型化、低成本化,以及性能提升等方面的工作。

注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第3期

作者：[日]?今西啓之等

整理：彭惠民

编辑：伍赛特

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

《计测技术》创刊于1958年，是由中国航空工业集团公司主管、中航工业北京长城计量测试技术研究所（航空304所、国防科技工业第一计量测试研究中心）主办的计量测试技术类期刊，双月刊，国内外公开发行。本刊刊号：CN11-5347/TB 计量保障世界，测试贡献价值。创刊50多年来，作为我国计量测试技术领域科研论文的重要载体和技术交流平台，《计测技术》充分发挥学术阵地作用，在宣传新技术、新方法、新成果，促进技术交流等方面发挥了巨大的作用。在工业计量测试尤其是军工计量测试系统内有很大的影响力和很高知名度，1987年9月7日，聂荣臻元帅为本刊题写了刊名。 《计测技术》在学术上注重前瞻性、创新性和系统性，在应用上注重指导性和实用性，注重实验方法和实验数据。因此，这是一本学术研究与工程应用相结合的刊物。本刊以“立足计量测试，构建创新平台，推动技术进步，服务工业发展”为办刊宗旨，在办刊过程中，始终坚定地遵循这一原则。立足计量测试是我们的办刊基础；技术创新和技术应用是刊物的内涵，实际上《计测技术》也是偏于工程应用的；推动技术进步、服务工业发展是我们的责任。《计测技术》的选题范围覆盖十大计量专业领域，详见《投稿须知》。 《计测技术》是中国核心期刊（遴选）数据库收录期刊、中国学术期刊综合评价数据库统计源期刊、中国期刊全文数据库全文收录期刊、中文科技期刊数据库收录期刊、台湾华艺数据库收录期刊。

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参考资料

《工程技术》杂志社.工程技术官网[引用时间2017-12-20]

学术论文是科学或者社会研究工作者在学术书籍或学术期刊上刊登的呈现自己研究成果的文章。学术论文往往强调原创性的工作总结，但也可以是对前人工作总结的回顾及做出评价，后者也往往被称为综述性文章（Review）。学术论文的出版正在经历着重大变化，出现了从传统的印刷版到网络上电子格式的兴起。论文中最重要的就是论点、论据和论证，所以在写作中，一定要对这三点加以重视。论文写作，简单的说，就是大专院校毕业论文的写作，包含着本科生的学士论文，研究生的硕士论文，博士生的博士论文，延伸到了职称论文的写作以及科技论文的写作。一般来说，论文写作，即高校毕业生，科技工作者以及各科研机构，事业单位工作人员，依据一定的论文格式和字数要求，对学习和工作的学术总结和创新。[1]论文一般由题名、作者、摘要、关键词、正文、参考文献和附录等部分组成，其中部分组成（例如附录）可有可无。论文各组成的排序为：题名、作者、摘要、关键词、英文题名、英文摘要、英文关键词、正文、参考文献和附录和致谢。下面按论文的结构顺序依次叙述。命题方式简明扼要，提纲挈领。英文题名方法①英文题名以短语为主要形式，尤以名词短语最常见，即题名基本上由一个或几个名词加上其前置和（或）后置定语构成；短语型题名要确定好中心词，再进行前后修饰。各个词的顺序很重要，词序不当，会导致表达不准。②一般不要用陈述句，因为题名主要起标示作用，而陈述句容易使题名具有判断式的语义，且不够精炼和醒目。少数情况（评述性、综述性和驳斥性）下可以用疑问句做题名，因为疑问句有探讨性语气，易引起读者兴趣。③同一篇论文的英文题名与中文题名内容上应一致，但不等于说词语要一一对应。在许多情况下，个别非实质性的词可以省略或变动。④国外科技期刊一般对题名字数有所限制，有的规定题名不超过2行，每行不超过42个印刷符号和空格；有的要求题名不超过14个词。这些规定可供我们参考。⑤在论文的英文题名中。凡可用可不用的冠词均不用。

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对于从矸石中选煤是否划算，关系到几个因素：原料成本、加工成本、矸石含煤量、产品煤售价，有了这些才能算出是否划算，加工成本也就是4元/吨左右。对于矸石自然问题，矸石一般都含硫，含硫量越高越容易自燃，自燃都是从底部内部燃起（内部温度高），矸石堆放时间久了都会自燃。你说的已经燃到表面了，说明内部基本都自燃了。剩余的不会太多。对于矸石制砖，只要是矸石都可制砖，矸石制砖一般都要使用粘土，矸石粉可以起到助燃作用，节省煤炭。矸石选煤很简单，可采用单段跳汰分选，很普通的设备，处理能力更不用担心，多大型号都有。

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有用。《染整技术》是2009年中国纺织出版社出版的图书，截止于2022年12月6日《染整技术》在社会的影响力还是比较大的，在该书中发布论文是有作用的。该书介绍了纺织品的一般整理、树脂（防皱）整理、功能整理的工艺原理、工艺条件、工艺分析及设备。

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《染整技术》比较系统地介绍了纺织品的一般整理、树脂（防皱）整理、功能整理的工艺原理、工艺条件、工艺分析及设备。为了适应纺织品整理的发展，《染整技术》还详细介绍了仿真整理、生物酶整理、成衣整理等相关内容。

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不是核心，可以评中级职称用。刊名： 无线通信技术 Wireless Communication Technology主办： 电信科学技术第四研究所周期： 季刊出版地：陕西省西安市语种： 中文;开本： 16开ISSN： 1003-8329CN： 61-1361/TN

4G是集3G与WLAN于一体，并能够传输高质量视频图像，它的图像传输质量与高清晰度电视不相上下。

1、LoRa技术

LoRa是LPWAN通信技术之一，是美国Semtech公司采用并推广的基于bai扩频技术的超长距离无线传输方案。物理层或无线调制用于建立长距离通信链路。许多传统无线系统使用频移键控（FSK)调制作为物理层，因为这是实现低功耗的非常有效的调制。

2、WiFi

全称Wireless-Fidelity，是无线局域网（WLAN)中的一个标准。自1999年推出以来，它一直是我们生活中最常用的上网方式之一。

3、Zigbee/协议

Zigbee于2003年正式提出，它的出现是为了弥补蓝牙通信协议复杂度高、功耗大、距离短、组网规模小等缺陷。这个名字取自蜜蜂。蜜蜂是一种“舞蹈”，通过飞行和拍动翅膀与同伴传递花粉的位置信息，在群体中形成交流网络。

4、线程/IEEE 协议

Thread和ZigBee属于，但是对于已经有了很大的改进。Thread是基于IPv6的协议，在传输安全性和系统可靠性方面进行了优化。它不仅可以承载高通海尔数十家企业集团的物联网联盟AllSeen，还可以支持苹果的Homekit智能家居平台。

5、Z-Wave

Z-Wave无线组网规范于2004年由丹麦芯片和软件开发商Zensys牵头提出，其应用由Z-Wave联盟推动。Z-Wave的工作频率在美国为，在欧洲为，采用无线mesh网络技术，因此任何节点都可以直接或间接地与通信范围内的其他邻居节点进行通信。

无线通信技术的特点

一、无线通信技术不受时空间因素影响

无线通信技术不依靠天线进行信息的传递，其传播介质为电磁波与光波。电磁波与光波广泛存在于大气中，因此其传播并不会受到传播介质因素影响。此外无线通信技术还可以借助于卫星网络进行信息的传输。图片、文字信息、视频、音频等各种信息都可以依靠无线通信技术在卫星网络的助力下进行传播，这种方式大大提升了信息的传播效率。

不受限于时间和空间的限制的这种信息交流方式，极大满足了当下人们的交流沟通需求，解决了人们跨地域交流存在的困难与问题，提高了信息交流交互的时效性以及便捷性。同时，优秀的信息处理能力也是无线通信技术的显著优势，其能够实现知识信息的快速查阅和处理，极大方便了人们的生活。

二、无线通信技术具有可移动性

无线通信技术诞生之后，随着科技信息的发展，其在技术方面也得到了突破性的创新和进步。譬如在无线通信技术终端方面，就得到了不断的完善。无线通信用户可以进行不同区域之间的移动，其通信连接也能进行相应的移动而通信信号不会受到任何的影响。

当前移动智能终端是无线通信技术应用的主要工具与载体，由于这些工具体积较小，便于人携带，也就更利于进行无线通信。用户可以携带这些工具进行出行，且始终能够保持和具有良好的通信能力，用户能够不受时空间因素限制进行办公或娱乐。

三、无线通信具有不稳定性

虽然无线通信技术具有很多的优势，且给人们的生活带来了很大的便利，然而其依旧存在着一些不足。无线通信技术主要是依靠于空气中的电磁波和光波等介质进行传播，大气层是无线通信传输的物理通道，但由于大气层是一个开放的空间，也就是说在进行无线通信技术的信息传播时，所有的调制信息都是暴露在公共空间中的，具有很大的安全隐患。

由于在信息传递过程中缺乏相应的物理层保护，部分不法分子在就可以通过这个漏洞对信息进行窃取和篡改，信息的安全性也就得不到有效的保障。无线通信技术所存在的不稳定性问题会增加用户通信风险与隐患，无论是对个人的隐私还是整个社会的稳定都有着极大的不利影响。

以上内容参考：百度百科-无线通信

一、4G与3G的区别主要在于网速，应用基本一致，TD-LTE网络上行理论速率为40Mbps，下行理论速率为150Mbps。二、如下载100MB视频，在4G网络环境下，最快只需约秒可下载完。（计算公式：100MB/（150Mbps/8）≈）。