燃料電池系統綜述

燃料電池其原理是一種電化學裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質組成。不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給并進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排除，燃料電池就能連續地發電。

文獻[1]主要介紹了質子交換膜燃料電池的預測與健康監測;文獻[2]對一種高效率的固體氧化物燃料電池系統進行了介紹；文獻[3]對基于與斯特林發動機集成的固體氧化物燃料電池的熱電聯產系統的評估和優化進行了介紹；文獻[4]對燃料電池和儲能系統相關的知識進行了介紹；文獻[5]針對改進的PEM燃料電池系統采用了級聯堆疊和基于噴射器的再循環操作；文獻[6]對乘用車聚合物電解質膜燃料電池系統進行了生命周期評估；文獻[7]介紹了混合動力可再生能源氫燃料電池能量系統的優化和整合；文獻[8]介紹了一種可再生能源和能源儲存系統；文獻[9]介紹了質子交換膜燃料電池的結構、模型及節能；文獻[10]主要介紹了一種用于高效發動機-混合動力燃料電池系統的低溫無反應熱源的甲烷蒸汽轉化器的熱設計。

1　質子交換膜燃料電池預測與健康監測[1]

燃料電池技術可以追溯到1839年，當時英國科學家William Grove爵士發現氫氣和氧氣反應可以發電。然而，由于目前的科技水平，燃料電池仍然不能與內燃機競爭，盡管它們具有零碳排放在內的許多優點。與氫氣相比，化石燃料更便宜并且具有非常高的體積能量密度。此外，以液體的形式儲氫仍然是一個巨大的挑戰。另一個重要的特點是燃料電池的壽命長，因為它們的耐用性，可靠性和可維護性。

預測利用工程系統可持續性方面的新興技術通過故障預防、可靠性評估和剩余的有用壽命進行估算。預測和健康監測可以提高燃料電池系統的耐用性，同時在可靠性和可維護性方面發揮了關鍵作用。本文主要介紹了質子交換膜燃料電池（PEMFC）預測和健康監測的最新技術，旨在確定這些領域的研究和發展機會，燃料電池堆的結構見圖1。本文還強調了將PEMFC的預測和失效模式、機理和效應分析（FMMEA-Failure Modes,Mechanisms and Effects Analysis）與其他非清潔能源解決方案進行比較的重要性，以使其具有持續的競爭優勢。

圖1　燃料電池堆工作原理和零部件

隨著對FMMEA的更好理解，故障模型可以進一步發展并整合到全球模型中，以實現更可靠的預測預報。為了改善PEMFC的預期壽命、效率和可維護性，PEMFC的控制系統策略可以基于這個全局模型。因此，設計人員和制造商之間的合作對于在健康監測和預測方面的共享信息和數據至關重要。因此，對PEMFC堆疊系統的健康監測和預測研究和開發至關重要，從而使無排放PEMFC技術可成為未來發電的真正可行的替代方案。

2　高效率的固體氧化物燃料電池系統的開發[2]

高溫燃料電池系統的整體效率可以利用未反應的燃料和來自系統廢氣的熱能來提高。甲烷蒸汽（MSR）反應也可使用陽極廢氣（AOG）中的大部分蒸汽來進行反應。在這項研究中，一種新型SOFC系統已經被開發出來。目前已經選擇噴射器取代了再生式鼓風機作為AOG的再循環裝置，同時陰極鼓風機已被替換為渦輪增壓器。為了驗證所提出的系統的效率增強，提出了另外兩個參考系統，并且使用Aspen Plus比較了它們的效率。

為了更準確地估計系統性能，使用Fortran?子程序將集總電化學SOFC模型和一維噴射器模型結合到系統模型中。為了確定所提出的系統的最佳運行方案，通過改變操作參數（例如外部重整比率，燃料利用率等）來將其性能與另外兩個參比系統的性能進行比較。目前，已經進行了三個系統的靈敏度分析，用以確定與系統效率有關的主要操作參數。由于AOG的重用，所提出的系統的電效率通常高于普通情況的電效率。然而，在某些操作條件下由于高燃料利用率和高ER比導致的系統廢熱不足，有可能低于普通情況。

所提出系統的電效率和熱效率之間的差異是三個系統中最低的，這意味著所提出的系統燃料發熱值的發電功率是三個系統中最高的。然而，所提出系統的系統效率是由于添加燃料重量的改變而發生變化，使得燃料利用率的受到嚴重的影響。該研究可以為SOFC獨立系統的設計和運行優化提供有效的見解。

3　基于斯特林發動機集成的固體氧化物燃料電池的熱電聯產系統的評估和優化[3]

化石燃料的使用是導致溫室氣體排放和全球變暖最重要的原因之一。這主要是與有關能源需求量的不斷增加和化石燃料（不可再生能源）的長期稀缺是密切相關的。在低效率能源系統中使用高成本能源通常是不合理的也是不可取的，所以尋求熱電聯產的新技術不僅能夠提高系統效率，還能減少化石燃料的使用。在這些創新技術中，高溫固體氧化物燃料電池（SOFC）作為清潔能源的主要驅動技術是熱電聯產（CHP）系統的一種十分有前途的選擇。

固體氧化物燃料電池通過電化學反應將化學能直接轉化為電能。由于SOFC中的移動部件和機械部件很少，因此不會產生噪音和振動，從而維護成本低和有應用潛力。此外，SOFC可以使用各種燃料，包括天然氣甚至一氧化碳（CO）。與其他系統（如內燃機）相比，它們釋放的CO2，SOx和NOx等污染物含量相對較低。本文從能量和可用能量的角度分析了基于甲烷供給的固體氧化物燃料電池（SOFC）與斯特林發動機集成的熱電聯產系統。通過改變四個關鍵系統參數來研究對系統性能的影響：電流密度、SOFC入口溫度、壓縮比和再生器效率。結果發現聯合系統的能效為76.32%，比同等條件下的獨立型SOFC裝置提高了約24.61%。考慮到可用能效率是唯一的目標函數，實驗發現隨著SOFC入口溫度的升高，熱電聯產系統的可用能量效率上升到最優值56.44%，然后下降。第二定律分析還表明，空氣熱交換器對所有系統部件的可用能損耗率最高，發動機的冷卻水也可以滿足小型家庭的供暖需求。

4　燃料電池和儲能系統[4]

歐盟在2020年制定的目標已經引起了大家對電力管理的巨大關注，從可持續生產角度，研究和開發基于可再生能源的新生產技術。然而，儲存可再生能源仍然是開發基于可再生能源的新技術的主要挑戰。主要的儲能技術可以分為：

（1）磁系統：超導磁儲能；

（2）電化學系統：電池、燃料電池、超級電容器；（3）水電系統：水泵；

（4）氣動系統：空氣壓縮機；

（5）機械系統：飛輪；

（6）熱系統：熔鹽、水或油加熱器。

本文介紹了采用蛇形流板設計的質子交換膜燃料電池和儲能系統。調查旨在探索燃料電池的最佳運行溫度，同時探究濕度和大氣壓等參數對PEM燃料電池一般性能和效率的影響。為了在不同的操作條件下保證單個堆疊和生成5個電池堆燃料電池的極化曲線，需要編寫許多代碼。同時需要分析燃料電池中氫氣和氧氣消耗的詳細信息以及它們對燃料電池性能的影響。

調查得出的結論是，所產生的開路電壓低于文獻中預測的理論電壓。同時發現，電流或電流密度的增加降低了從燃料電池組中得到的電壓。實驗還清楚地證實，當從燃料電池獲取更多電流時，在電池的陰極部分也會產生更多的水。因此需要有效的水管理策略以改善燃料電池的性能。其他參數如堆疊效率和功率密度也從實驗結果進行分析。

5　改進的PEM燃料電池系統[5]

由聚合物電解質膜燃料電池（PEMFC）系統驅動的電動汽車具有零排放流動性，行駛距離長，充電時間短的特點。氫氣和大氣中的氧氣被電化學反應以產生電力、熱量和水。氫氣儲存在高壓罐中，壓力高達70MPa，并以低壓供應給燃料電池。燃料電池供應過量的氫氣以防止活性區域內的局部不平衡和燃料不足，而活性區域內的局部不平衡和燃料不足將導致電極快速腐蝕。

在本文中，作者研究了具有級聯堆棧功能的基于噴射器的氫氣供應系統的性能，以便在低負載操作時提高噴射器的性能并擴展燃料電池系統的操作范圍。首先，介紹了具有設計參數和可變幾何噴射器的燃料電池堆的模型(見圖2)。然后，作者展示用于研究具有級聯陽極的燃料電池堆的實驗設置。在結果部分，作者介紹了設計的燃料電池組，可變幾何形狀的噴射器和新的氫氣供應系統設置的性能。在級聯燃料電池堆設計中，第一級的氫氣流逆向流向空氣和冷卻劑。使用該技術是因為陽極的低再循環流導致陽極入口處的濕度較低。為了實現系統簡化，不考慮氫氣加濕的選項。在第二階段，所有三種流體都以并流流動。在這個階段，氫氣在第一階段被加濕，并且在這個階段的共流是可以接受的。

圖2　燃料電池堆模型和主動循環系統

在燃料電池輸出功率低時，必須采用適當的凈化策略來處理氮氣。采用級聯堆疊的新設計將穩定的燃料電池操作范圍擴展到更小的燃料電池電流，從而減小燃料電池的功率輸出。該結果對于燃料電池和混合動力車輛非常有用，其中需要以最小化電池尺寸輸出小型燃料電池功率。

6　乘用車聚合物電解質膜燃料電池系統的生命周期評估[6]

在邁向更加可持續發展的社會中，氫燃料電解質膜（PEM）燃料電池技術被視為減少交通運輸工具對環境影響的絕佳機會。然而，與諸如電池電動車輛（BEV）等替代綠色汽車相比，決策者面臨著生產燃料電池車輛（FCV）帶來的一定環境后果的挑戰。和更傳統的內燃機車輛（ICEV）相比，在這項工作中，作者提出了一個FCV的綜合生命周期評估（LCA），重點關注其生產階段，并與BEV和ICEV的生產階段進行比較。

表1　參數靈敏度分析研究

在制造階段，FCV庫存從催化劑層到氫罐，對燃料電池組和燃料電池系統的一些關鍵部件（如設備平衡和氫氣罐）進行了靈敏度分析，以證明材料和庫存模型的不同假設(見表1)。與其他兩種車輛動力源的生產相比，燃料電池車輛的生產過程對于環境影響的要求更為嚴格，這主要是由于氫氣罐和燃料電池堆對于反應環境的要求較高。但是，通過結合每個組件的敏感性分析結果-最佳情況顯示，與基準FCV情景相比，FCV的氣候變化影響因素有可能減少25%。

降低與制造燃料電池車輛相關的環境影響是當前一個重要的挑戰。同時，還考慮了整個生命周期的評估，并對FCV、電動車輛和傳統柴油車輛的制造、使用和處置進行了比較?？偟膩碚f，ICEV的全球變暖潛能最高，這主要是由于使用階段和與柴油相關的化石燃料碳排放量有關。

7　混合動力可再生能源氫燃料電池能量系統的優化和整合[7]

目前，發電是減少二氧化碳排放量的最佳替換方式?？梢灶A見的是氫能技術在未來將實現通過使用可再生能源替代化石燃料，同時將全球變暖控制在2攝氏度的情景中發揮重要的作用。

燃料電池電動車輛的電力轉換將進一步增加對低碳發電的需求。為了成功過渡到可再生能源經濟，傳統的設計能源系統的方法只能達到與技術（容量，可用性，可靠性）和經濟性（投資回報率，對消費者的成本）相關的目標，然而需要更為全面的發展，比如解決環境問題和社會問題的其他目標。目前情況下的優化是在給定的一組情況下獲得最佳結果，并且受到技術性限制的行為。

從能源系統利益相關者的角度來看，優化可以被看作是根據環境和限制條件,從資源中獲得最佳的結果，從包括能源和金融在內的承諾資源中獲得最佳結果。在最簡單的層面上，RES(Renewable Energy System)中優化過程的主要輸出是一個系統中每個組件的大小（能量和/或功率容量）的規格，其配置是預先確定的。在更復雜的層面上，還可以通過系統組件的一組可能配置（例如微電網總線類型的選擇）來進行優化，包括由系統控制器實施的實時重新配置（例如通過電力路由能量或氫、或兩者）。正確的組件尺寸是實現正常運行系統的關鍵，該系統可以滿足其技術和非技術設計目標，但尺寸選擇與組件配置的選擇密切相關。

8　可再生能源和能源儲存系統[8]

第八屆可持續能源和環境保護國際會議是A.G.Olabi教授于2004年成立的系列SEEP會議的一部分，在過去的幾年中已發布了7個專題，會議編輯在許多出版物中做出了貢獻主要包括可再生能源和環境問題：氫和燃料電池，生物燃料，太陽能和空氣污染和環境問題。在以前的SEEP會議上發表了許多文章,發表文章涵蓋所有可再生能源和環境主題。主要的主題是：氫能和燃料電池開發、電動汽車、風能和規劃問題、光伏和太陽能、生物能源、替代能源和環境問題、管道換熱器及相關燃料效率和環境保護。

論文主要研究開發了一種獨特的三維計算流體動力學電化學模型，將開孔泡沫材料作為流動板，將其與雙通道流動板和實驗結果進行比較，在質子交換膜燃料電池中的材料中研究作為傳統流動板的替代物的應用。

使用相同的膜電極組件和操作參數，檢查模擬模型，包括氫氣和氧氣分布以及水分活度。分析了模型和實驗得到的IV曲線，并對結果進行了討論。該模型通過將仿真IV曲線結果與實驗結果進行比較來驗證，并且識別了模型限制。結果表明，與雙通道燃料電池相比，開孔多孔泡沫材料流動板在燃料電池中可以從入口到出口更均勻地分配氫氣和氧氣，在模擬和實驗運行中均優于雙通道燃料電池。

9　質子交換膜燃料電池節能技術[9]

電動汽車需要燃料電池以達到環保和高度節能的目的。本文回顧了關于車用PEMFC應用的關鍵技術問題。它還討論了車輛PEMFC膜結構與電極性能之間的關系。在汽車振動臺上研究了機械振動對動態響應的影響。

PEMFC是涉及膜材料、聚合物、電化學、界面、熱力學和納米能源的復雜系統之一。由于車輛PEMFC的連續運行，如果設備產生的熱量不能及時釋放，其內部溫度會逐漸升高，車輛PEMFC的強度、效率和輸出電壓均會降低。因此，聚合物薄膜的熱力學和界面效應應該受到關注，這是PEMFC技術的核心。在負極和正極之間是聚合物質子交換膜，H+移動到負極反應并產生水(見圖3)。在電動汽車的重負荷下，內部電流密度增加，它加強了電化學反應并產生更多的水。此時，如果沒有排水，則負極會被淹沒，正常的電化學反應會被破壞，從而導致PEMFC失效。

圖3　PEMF納米級膜中水的生成機理

效率是反映燃料電池發動機（FCE）性能的重要因素。評估效率應該考慮FCE的效率特性和常見工作條件。本文根據駕駛循環分析了FCE在實際工況下的輸出功率，得出了四個效率評估點及其加權值。然后，使用評分函數將四個評估點的效率值轉換成分數。將得分乘以它們的加權值并將它們相加，我們可以得到效率屬性的總體分數，該方法能合理客觀地評價FCE的效率性能。本文對FCE效能評估進行探索性研究，并基于評分方法評估FCE效率績效。根據駕駛循環，分析FCE在實際工況下的輸出功率，得出FCE的四種主要運行模式?？紤]到FCE效率的測試方法及其性能，我們得到了四個效率評估點及其權重。然后用適當的評分函數來評價評價點。將分數乘以它們的權重并將它們加在一起，就可以得到FCE效率的總體分數。

10　用于高效發動機-混合動力燃料電池系統的低溫無反應熱源的甲烷蒸汽轉化器的熱設計[10]

在混合燃料電池系統中，貧燃料陽極廢氣需要通過額外的發電或利用熱能來加熱輔助設備來提高系統效率是非常有用的。在這項研究中，混合動力系統的熱能首先用于均質充量內燃機的額外動力，然后供應給外部轉化器加熱。與其他混合燃料電池系統不同，由于其低溫特性，利用來自發動機廢氣的熱能是非常困難的。

本研究是與“100kW級高溫燃料電池發動機混合動力系統工程技術開發”合作項目開展的。在該項目中，開發了一種由固體氧化物燃料電池和均質充量內燃機組成的混合動力系統。當內燃機排出的氣體熱能將外部甲烷轉化成甲烷的某些部分或者轉化為氫氣時，分析表明整個系統的效率可以提高。發動機耗盡的外部重整器是用計算機模擬進行分析的。本研究不集中于催化劑的性能，而是關注以發動機排出的廢氣作為熱源的外部甲烷蒸汽轉化器的實際性能。通過實驗驗證了模擬模型，并研究了徑向和縱向溫度分布對甲烷轉化率的影響。還利用蒸汽-碳比（SCR）、熱源流量和幾何變化分析了重整反應特性。

這項研究主要集中在外排甲烷蒸汽轉化器的發動機排氣的計算分析，計算模型通過實驗驗證并進行參數研究。結果表明，縱向和徑向的溫度均勻性對于甲烷轉化效率至關重要。另外，甲烷轉化率也取決于管側傳熱的性能。當甲烷總流量固定時，甲烷轉化率顯示出隨著蒸汽與碳比（SCR）的增加而平衡。最后，靈敏度研究表明，傳熱面積和反應器長度是蒸汽重整發動機排出氣體的主要參數。

[1]Sutharssan T,Montalvao D,Chen Y K,et al.A review on prognostics and health monitoring of proton exchange membrane fuel cell[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2017,75:440-450.

[2]Lee K,Kang S,Ahn K Y.Development of a highly efficient solid oxide fuel cell system[J].Applied Energy,2017,205:822-833.

[3]Hosseinpour J,Sadeghi M,Chitsaz A,et al.Exergy assessment and optimization of a cogeneration system based on a solid oxide fuel cell integrated with a Stirling engine[J].Energy Conversion and Management,2017,143:448-458.

[4]Olabi A G,Akansu S O,Kahraman N.Fuel cell and energy storage systems:A special issue section on“The 9th International Conference on Sustainable Energy and Environmental Protection(SEEP 2016),22–25 September 2016,Kayseri,Turkey”[J].2017.

[5]Jenssen D,Berger O,Krewer U.Improved PEM fuel cell system operation with cascaded stack and ejector-based recirculation[J].Applied energy,2017,195:324-333.

[6]Evangelisti S,Tagliaferri C,Brett D J L,et al.Life cycle assessment of a polymer electrolyte membrane fuel cell system for passenger vehicles[J].Journal of Cleaner Production,2017,142:4339-4355.

[7]Eriksson E L V,Gray E M A.Optimization and integration of hybrid renewable energy hydrogen fuel cell energy systems–A critical review[J].Applied Energy,2017,202:348-364.

[8]Olabi A G.Renewable energy and energy storage systems[J].2017.

[9]Mahendran M,Sathish M,Sulakshan T,et al.Structure,Model and Energy Conservation of Proton Exchange Membrane Fuel Cells[J].2017.

[10]Shin G,Yun J,Yu S.Thermal design of methane steam reformer with low-temperature non-reactive heat source for high efficiency engine-hybrid stationary fuel cell system[J].International Journal of Hydrogen Energy,2017,42(21):14697-14707.