燃料電池系統設計綜述

燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置，現在得到了研究者的廣泛關注。

文獻[1]對高溫質子交換膜燃料電池系統的設計及研究現狀進行了介紹；文獻[2]對質子交換膜燃料電池系統故障診斷方法進行了介紹；文獻[3]介紹了一種質子交換膜燃料電池的高效和高功率密度Pt/C催化劑涂覆膜電極制造方法；文獻[4]對質子交換膜燃料電池系統控制策略進行了綜述；文獻[5]對可逆/再生的氫燃料電池系統設計的難點及其結構進行介紹；文獻[6]介紹了一種燃料電池熱機混合系統的設計思路，可以充分利用能源。

1　高溫質子交換膜燃料電池系統的研究[1]

質子交換膜燃料電池（PEMFC）技術的研究得到越來越多國家的重視，該電池便于攜帶，適用于汽車等場合。LT-PEMFC（低溫質子交換膜燃料電池）通常以全氟磺酸（NaF）作為電池膜。該材料具有一個疏水相和一個作為親水相的磺酸基團。但是為保證NaF膜傳導電荷的能力，需要保證膜的水合狀態，以保持電池最佳性能。為此，在LT-PEMFC的堆疊設計中必須考慮水管理系統，否則水會影響整個電池系統的功率和效率。

燃料電池技術的成功取決于整個電池系統的耐用性、可靠性和成本。與傳統的LT-PEMFC相比，HT-PEMFC（高溫質子交換膜燃料電池）系統結構更加簡單，因為不需要水管理系統，所以可以更好地利用電池堆產生的熱量。將HT-PEMFC應用于汽車等場合，需要采用合適的系統，并提高系統的耐久性。

文中對影響HT-PEMFC組件及其系統性能的關鍵參數進行了深入的研究。HT-PEMFC系統通常由反應物燃料系統、熱管理系統和冷卻系統組成（圖1），對這些子系統中各種參數進行研究是非常重要的。特別是對于像汽車這樣的瞬態負載需求變化較大的情況。在燃料電池運行過程中，由于氣體供給不當，快速負載變化現象，啟動/關閉過程不當等，可能會導致催化劑和膜的加速和永久性損壞。

研究表明，HT-PEMFC設計的關鍵問題之一是：需要重視加熱和冷卻管理系統的設計，并采用合理的加熱策略使電池堆溫度分布均勻，且能夠在短時間內加熱。同時，文中表明還需進一步對HT-PEMFC系統的關鍵參數進行研究，在其商業化之前對其進行優化。

圖1　HT-PEMFC系統結構

2　質子交換膜燃料電池系統故障診斷方法 [2]

最近，隨著全球能源需求的增長，預計會對環境污染和與全球變暖等問題產生巨大影響。因此，開展清潔能源研究至關重要。在不同的解決方案中，使用氫氣供能，是較環保的途徑。可以通過燃料電池（FC）系統將氫轉化為電能。燃料電池（FC）可持續發電，被認為是未來有前途的能源之一。

質子交換膜（PEM）更適合用于日常應用。為了將質子交換燃料電池（PEMFC）引入市場，應保證這種技術具有足夠的運行可靠性、足夠的使用壽命和可接受的成本。

FC系統是一種電化學裝置，可將燃料的化學能轉化為電能，運行期間會產生水和熱量，而不會產生溫室氣體，且能源轉換效率較高。根據所使用的電解質類型，有多種類型的FC（圖2）。其中，質子交換燃料電池（PEMFC）性能較好，發電功率較大，得到廣泛地研究和應用。在使用PEMFC時，希望電池系統有較好的耐久性，發生故障時可以診斷出原因。

PEMFC容易受到可能導致其停止或永久性損壞的故障的影響，為確保系統的安全運行，有必要使用系統技術來檢測和隔離故障。文中介紹了PEMFC故障樹（圖3）及故障診斷的各種技術，故障診斷方法包括基于模型的方法和非基于模型的方法。基于模型的方法需要在電堆內部設置大量的傳感器，一些參數還無法測量，對于非基于模型的故障診斷方法則需要試驗數據庫，是比較簡單的方法，該方法可以結合人工智能（AI）的專家系統決策過程，自動完成診斷過程。

圖2　燃料電池堆結構

圖3　燃料電池堆故障樹[3]

3　高效低Pt/C催化劑涂覆膜燃料電池[4]

自從20世紀60年代首次使用PEMFC以來，PEMFC中Pt族金屬（PGM）的裝載量已經降低了兩個數量級。在大多數現代工業國家，需要進一步降低PGM的裝載量，將其降低到內燃機汽車催化轉化器同一水平。美國能源部已經設定了到2020年，在PEMFC中鉑族金屬裝載的目標值為125μg/kW，總鉑族金屬負載量為125μg/cm2。

以往降低鉑裝載量的方法包括：濺射、電沉積、離子束技術和電噴霧技術。本文中介紹了一種使用高效和高功率密度Pt/C催化劑涂覆膜（CCM）層的新方法。研究表明，將這種電極沉積方法與浮動電極技術結合使用，可以在沒有傳輸限制的情況下，對整個燃料電池的氫氣氧化和氧氣還原進行動力學測量。

結果表明，通過使用這種改進形式的電極沉積方法，可以制造出可商業化的CCM和高Pt利用率的電極。這種CCM制造方法不僅簡單，而且可重復制造出薄且均勻分布的高性能催化劑層，并且有可能通過優化的催化劑和碳的比例，獲得更高的性能。

文中對CCM及電極的制造方法進行了簡要介紹，并將其應用于PEMFC。對PEMFC進行測試表明，采用這種方法設計的燃料電池，無需高性能Pt合金催化劑，即可滿足電池性能要求。

4　質子交換膜燃料電池系統控制策略綜述[5]

當前，化石燃料正在迅速耗盡，這威脅到世界的能源安全。另外，化石燃料污染環境并引起酸雨、全球變暖等問題。氫能和燃料電池是未來最有前途的綠色能源和能源轉換裝置。質子交換膜燃料電池（PEMFC）在燃料電池中，具有能量密度高等優點，已有大量的相關研究。

雖然PEMFC具有高能量密度的優點，吸引了大量科研人員進行研發，但其商業化仍受到許多挑戰，包括：降低成本、提高性能和增加耐久性。雖然這些挑戰可以通過材料選擇來解決，但PEMFC的耐用性也受到電壓反轉和燃料不足的影響。

文中，對PEMFC控制子系統進行了綜述研究，特別關注電池的控制策略，以避免燃料匱乏，并對各種控制方法的特點進行了研究。以往PEMFC中采用經典的比例積分和微分（PID）控制器，用于反饋電壓控制和前饋電流控制，進而控制氫氣和空氣流量。采用滑動模式控制器的設計，可以適應不斷變化的動態響應。采用自適應控制器（AC），如負載調節器和極值搜索控制器，可以不斷更新控制操作。

最新進展：神經網絡控制（NNC）、模糊邏輯控制（FLC）和FLC-PID控制等人工智能，已被用于PEMFC系統控制中，因為它們更簡單、更便宜，不像AC需要大量計算，可獲得更好的結果。

5　PEM可逆/再生的氫燃料電池系統[6]

可逆/再生燃料電池（RFC）是一種可在電解池模式或燃料電池模式下運行的裝置。在電解池模式下，基于水分解反應的RFC系統，通過消耗電能（來源于太陽能、風能等清潔能源）將液態水分解成氫氣和氧氣；在燃料電池模式下，RFC將儲存的氫氣和氧氣用于再生電力并重新形成水。

單元化再生燃料電池（URFC）是一種既可用作燃料電池又可用作電解槽的單電池。與使用單獨的電解槽和傳統的氫氣燃料電池系統相比，URFC具有重量輕、體積小的優點，具有很大的應用潛力。

文中回顧了這種技術的研究歷程，并確定了使用URFC系統在技術和經濟上面臨的主要技術挑戰。研究表明，URFC中的氧氣側催化劑層對結構設計要求更高，因為必須制造雙功能催化劑層和氣體擴散層（GDL），可以保證其在電解池和燃料電池模式中的功能。URFC發展的主要目標是獲得與具有單獨的電解槽和燃料電池系統非常接近的能量效率。

研究表明，如果可以克服這些挑戰，基于質子交換膜（PEM）技術的URFC有可能降低整個氫燃料電池系統的成本，并且在電解池模式下可以提供清潔的氫氣用于發電。

6　不可逆熔融碳酸鹽燃料電池熱機混合系統[7]

近幾十年來，研究者對可再生能源新技術進行了大量研究，因為這些技術是解決增加的能源需求和環境問題的最有前景的解決方案。燃料電池可提供電力，工作中產生的高溫廢熱可進行回收利用，同時其有靈活的燃料選擇，通過電化學反應發電，氫是燃料電池系統的主要能源。

近來，已經有大量關于不可逆燃料電池熱力循環性能的研究，這些燃料電池包括：固體氧化物燃料電池（SOFC）、分子碳酸鹽燃料電池（MCFC）、質子交換膜燃料電池（PEM）、直接碳燃料電池（DCFC）和磷酸鹽酸性燃料電池（PAFC）。已有論文中，利用PEM和PACF前循環制造出吸收式制冷機，用于制冷應用。而MCFC有較多高溫余熱，可以用來進行熱電聯產，設計混合系統，可應用于MCFC混合系統設計的熱機，包括斯特靈熱機、燃氣輪機等。

Braysson循環是Brayton和Ericson的熱機的組合，是一種可以用作MCFC混合系統底層系統的熱力發動機。這些熱機可能是可再生能源發電的補充方案。文中考慮基本的熱力學參數（如功率輸出、效率），對MCFC-Braysson混合系統的性能進行了研究。另外，文中提出了生態功能和基于生態功能的新標準，對混合系統參數進行了優化。

[1]Rosli R E,Sulong A B,Daud W R W,et al.A review of high-temperature proton exchange membrane fuel cell(HTPEMFC)system[J].International Journal of Hydrogen Energy,2017.

[2]Benmouna A,Becherif M,Depernet D,et al.Fault diagnosis methods for Proton Exchange Membrane Fuel Cell system[J].International Journal of Hydrogen Energy,2017.

[3]Yang Q,Aitouche A,Bouamama BO.Structural analysis for

air supply system of fuel cell.Int Renew Energy Congr 2009.

[4]K.F.Fahy.High mass-transport,low Pt loading fuel cell electrodes[J],2017.

[5]Daud W R W,Rosli R E,Majlan E H,et al.PEM fuel cell system control:A review[J].Renewable Energy,2017,113.

[6]Paul B,Andrews J.PEM unitised reversible/regenerative hydrogen fuel cell systems:State of the art and technical challenges[J].Renewable&Sustainable Energy Reviews,2017,79:585-599.

[7]A??kkalp E.Performance analysis of irreversible molten carbonate fuel cell-Braysson heat engine with ecological objective approach[J].Energy Conversion&Management,2017,132.