燃料電池系統(tǒng)設(shè)計綜述

燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，現(xiàn)在得到了研究者的廣泛關(guān)注。

文獻[1]對高溫質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計及研究現(xiàn)狀進行了介紹；文獻[2]對質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)故障診斷方法進行了介紹；文獻[3]介紹了一種質(zhì)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(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計的難點及其結(jié)構(gòu)進行介紹；文獻[6]介紹了一種燃料電池?zé)釞C混合系統(tǒng)的設(shè)計思路，可以充分利用能源。

1　高溫質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的研究[1]

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）技術(shù)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(zhì)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(dǎo)電荷的能力，需要保證膜的水合狀態(tài)，以保持電池最佳性能。為此，在LT-PEMFC的堆疊設(shè)計中必須考慮水管理系統(tǒng)，否則水會影響整個電池系統(tǒng)的功率和效率。

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

文中對影響HT-PEMFC組件及其系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)進行了深入的研究。HT-PEMFC系統(tǒng)通常由反應(yīng)物燃料系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成（圖1），對這些子系統(tǒng)中各種參數(shù)進行研究是非常重要的。特別是對于像汽車這樣的瞬態(tài)負(fù)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(dāng)，快速負(fù)載變化現(xiàn)象，啟動/關(guān)閉過程不當(dāng)?shù)龋赡軙?dǎo)致催化劑和膜的加速和永久性損壞。

研究表明，HT-PEMFC設(shè)計的關(guān)鍵問題之一是：需要重視加熱和冷卻管理系統(tǒng)的設(shè)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(nèi)加熱。同時，文中表明還需進一步對HT-PEMFC系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進行研究，在其商業(yè)化之前對其進行優(yōu)化。

圖1　HT-PEMFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2　質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)故障診斷方法 [2]

最近，隨著全球能源需求的增長，預(yù)計會對環(huán)境污染和與全球變暖等問題產(chǎn)生巨大影響。因此，開展清潔能源研究至關(guān)重要。在不同的解決方案中，使用氫氣供能，是較環(huán)保的途徑?？梢酝ㄟ^燃料電池（FC）系統(tǒng)將氫轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池（FC）可持續(xù)發(fā)電，被認(rèn)為是未來有前途的能源之一。

質(zhì)子交換膜（PEM）更適合用于日常應(yīng)用。為了將質(zhì)子交換燃料電池（PEMFC）引入市場，應(yīng)保證這種技術(shù)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(tǒng)是一種電化學(xué)裝置，可將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，運行期間會產(chǎn)生水和熱量，而不會產(chǎn)生溫室氣體，且能源轉(zhuǎn)換效率較高。根據(jù)所使用的電解質(zhì)類型，有多種類型的FC（圖2）。其中，質(zhì)子交換燃料電池（PEMFC）性能較好，發(fā)電功率較大，得到廣泛地研究和應(yīng)用。在使用PEMFC時，希望電池系統(tǒng)有較好的耐久性，發(fā)生故障時可以診斷出原因。

PEMFC容易受到可能導(dǎo)致其停止或永久性損壞的故障的影響，為確保系統(tǒng)的安全運行，有必要使用系統(tǒng)技術(shù)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(shù)，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(nèi)部設(shè)置大量的傳感器，一些參數(shù)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(shù)據(jù)庫，是比較簡單的方法，該方法可以結(jié)合人工智能（AI）的專家系統(tǒng)決策過程，自動完成診斷過程。

圖2　燃料電池堆結(jié)構(gòu)

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(jì)60年代首次使用PEMFC以來，PEMFC中Pt族金屬（PGM）的裝載量已經(jīng)降低了兩個數(shù)量級。在大多數(shù)現(xiàn)代工業(yè)國家，需要進一步降低PGM的裝載量，將其降低到內(nèi)燃機汽車催化轉(zhuǎn)化器同一水平。美國能源部已經(jīng)設(shè)定了到2020年，在PEMFC中鉑族金屬裝載的目標(biāo)值為125μg/kW，總鉑族金屬負(fù)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(shù)和電噴霧技術(shù)。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(shù)結(jié)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(xué)測量。

結(jié)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(yè)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(fù)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(yōu)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(yīng)用于PEMFC。對PEMFC進行測試表明，采用這種方法設(shè)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(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)控制策略綜述[5]

當(dāng)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(huán)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(zhuǎn)換裝置。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）在燃料電池中，具有能量密度高等優(yōu)點，已有大量的相關(guān)研究。

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

文中，對PEMFC控制子系統(tǒng)進行了綜述研究，特別關(guān)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(jīng)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(shè)計，可以適應(yīng)不斷變化的動態(tài)響應(yīng)。采用自適應(yīng)控制器（AC），如負(fù)載調(diào)節(jié)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)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(jié)果。

5　PEM可逆/再生的氫燃料電池系統(tǒng)[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(yīng)的RFC系統(tǒng)，通過消耗電能（來源于太陽能、風(fēng)能等清潔能源）將液態(tài)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(tǒng)的氫氣燃料電池系統(tǒng)相比，URFC具有重量輕、體積小的優(yōu)點，具有很大的應(yīng)用潛力。

文中回顧了這種技術(shù)的研究歷程，并確定了使用URFC系統(tǒng)在技術(shù)和經(jīng)濟上面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。研究表明，URFC中的氧氣側(cè)催化劑層對結(jié)構(gòu)設(shè)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(fā)展的主要目標(biāo)是獲得與具有單獨的電解槽和燃料電池系統(tǒng)非常接近的能量效率。

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

6　不可逆熔融碳酸鹽燃料電池?zé)釞C混合系統(tǒng)[7]

近幾十年來，研究者對可再生能源新技術(shù)進行了大量研究，因為這些技術(shù)是解決增加的能源需求和環(huán)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(chǎn)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(xué)反應(yīng)發(fā)電，氫是燃料電池系統(tǒng)的主要能源。

近來，已經(jīng)有大量關(guān)于不可逆燃料電池?zé)崃ρh(huán)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(zhì)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(huán)制造出吸收式制冷機，用于制冷應(yīng)用。而MCFC有較多高溫余熱，可以用來進行熱電聯(lián)產(chǎn)，設(shè)計混合系統(tǒng)，可應(yīng)用于MCFC混合系統(tǒng)設(shè)計的熱機，包括斯特靈熱機、燃?xì)廨啓C等。

Braysson循環(huán)是Brayton和Ericson的熱機的組合，是一種可以用作MCFC混合系統(tǒng)底層系統(tǒng)的熱力發(fā)動機。這些熱機可能是可再生能源發(fā)電的補充方案。文中考慮基本的熱力學(xué)參數(shù)（如功率輸出、效率），對MCFC-Braysson混合系統(tǒng)的性能進行了研究。另外，文中提出了生態(tài)功能和基于生態(tài)功能的新標(biāo)準(zhǔn)，對混合系統(tǒng)參數(shù)進行了優(yōu)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

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[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.