氫供氣系統(tǒng)綜述

化石燃料的消耗和依賴以及其對環(huán)境的影響刺激了全球?qū)沙掷m(xù)能源發(fā)展的興趣。目前以碳為基礎(chǔ)的能源體系應(yīng)該轉(zhuǎn)向能源供需平衡、保護(hù)環(huán)境，同時(shí)確保能源安全和經(jīng)濟(jì)可行性的新能源體系。目前，在各種替代方案中，基于氫的新能源系統(tǒng)是成功實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的最有前途的解決方案之一。

文獻(xiàn)[1]提出了一種新的方法來確定基于RES(Renewable Energy Sources)的氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的最佳配置和運(yùn)行；文獻(xiàn)[2]主要介紹了一種與含氮?dú)錃庖黄鹗褂玫木酆衔镫娊赓|(zhì)燃料電池策略的開發(fā)；文獻(xiàn)[3]確定了一種管理策略用來確保在穩(wěn)定狀態(tài)，預(yù)熱和負(fù)載變化階段期間有效和可靠的電池性能；文獻(xiàn)[4]主要論述了共享住宅燃料電池系統(tǒng)為燃料電池汽車提供氫氣的可能性；文獻(xiàn)[5]主要介紹了一種基于高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的輔助動(dòng)力裝置的復(fù)雜氫化物中的氫儲(chǔ)存系統(tǒng)。

1　基于可再生能源的供氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行技術(shù)集成與優(yōu)化[1]

氫作為能源載體的主要優(yōu)勢是資源生產(chǎn)的多樣性。氫不僅可以從石油，天然氣和煤炭等不可再生能源中生成，還可以由風(fēng)能，生物質(zhì)能和太陽能等可再生能源（RES）生產(chǎn)。生產(chǎn)源的這種多樣性有助于平衡能源供需并增加了能源安全的可能性。

基于RES的集中式氫氣供應(yīng)系統(tǒng)由各種轉(zhuǎn)化技術(shù)以及相應(yīng)的質(zhì)量（例如水和生物質(zhì)）和能量（例如電力）流組成。為了提供可能的系統(tǒng)配置的整體視圖，考慮了基于網(wǎng)絡(luò)表示的上層結(jié)構(gòu)。在基于RES的氫氣供應(yīng)系統(tǒng)中，考慮了五種主要資源：風(fēng)能、太陽能、潮汐能、生物質(zhì)和海水。這些資源用于產(chǎn)生必要的能量（即電力）和材料（即水）或直接轉(zhuǎn)化為氫氣。為了估算RESs的潛力，使用氣象數(shù)據(jù)，例如風(fēng)速，太陽輻射和生物量的可用性。此外，本研究中使用的生物量中的木質(zhì)纖維素原料包括作物殘?jiān)湍举|(zhì)廢物，以避免能源和糧食生產(chǎn)之間的沖突。

這項(xiàng)研究提供了一個(gè)基準(zhǔn)模型和一套框架，用于分析基于RES的氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的可行性和經(jīng)濟(jì)性，并指出了技術(shù)集成的主要成本驅(qū)動(dòng)因素和決策變量。盡管基準(zhǔn)模型已經(jīng)應(yīng)用，但超越本研究的進(jìn)一步改進(jìn)對于確定潛在系統(tǒng)的實(shí)際障礙至關(guān)重要。例如納入不同的技術(shù)和資源，考慮精確的RES數(shù)據(jù)和資源（即生物質(zhì)）和氫的物流空間。因此，未來的研究將在此研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行供應(yīng)鏈的優(yōu)化，生命周期分析和主要技術(shù)的詳細(xì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估，以及開發(fā)先進(jìn)的系統(tǒng)集成理論。

2　與含氮?dú)錃庖黄鹗褂玫木酆衔镫娊赓|(zhì)燃料電池策略的開發(fā)[2]

在尋找化石燃料的替代品時(shí)，氫氣由于其高重力能量密度而成為一種有吸引力的能源載體。然而，其作為燃料的用途產(chǎn)生了許多擔(dān)憂，尤其是由于其體積能量密度低而需要將氣體儲(chǔ)存在合理體積內(nèi)的高壓或復(fù)雜的低溫系統(tǒng)而造成的相關(guān)安全性問題（包括運(yùn)輸和使用加壓易燃?xì)怏w）。因此，近年來，儲(chǔ)氫研究集中在化學(xué)儲(chǔ)存方法上，以開發(fā)具有高重量和體積密度的潛在材料。

實(shí)際上，單個(gè)燃料電池系統(tǒng)將需要特別調(diào)整的運(yùn)行條件。識別合適的死端陽極排水策略的有效方法是使用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DoE）方法。這需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)因子實(shí)驗(yàn)方案，通過最小化所需的測試運(yùn)行次數(shù)以及最大限度地提高所得結(jié)果的準(zhǔn)確性來提高生產(chǎn)力,試驗(yàn)裝置圖見圖1。由于燃料電池具有廣泛的組件選擇和運(yùn)行條件，因此DoE廣泛用于材料性能分析。

圖1　試驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著供應(yīng)給H-100燃料電池陽極的燃料中的氮含量增加，電壓降低速率增加，這表明電壓損失與陽極通道中的N2積聚相關(guān)。當(dāng)電流密度增加時(shí)，這種影響會(huì)延長。使用多線性模型的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法在評估主要運(yùn)行參數(shù)（排水間隔，死端間隔和電流密度）的作用以及確定是否存在任何二次或二次效應(yīng)方面是有效的。所得到的表面響應(yīng)曲線顯示堆疊效率受電流密度的嚴(yán)重影響，并確定了與氨分解產(chǎn)物氣體混合物一起使用的可行排水策略的條件。因此，這種PEFC排水策略擴(kuò)展了氨分子在替代能源市場中作為儲(chǔ)氫載體的潛力，使其在環(huán)保可持續(xù)的便攜式，運(yùn)輸和離網(wǎng)發(fā)電應(yīng)用中的實(shí)施更進(jìn)一步。

3　自氫氣凈化和加料策略增濕質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)[3]

以氫氣為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）代表了清潔發(fā)電的有前景的技術(shù)。它們具有快速啟動(dòng)、低運(yùn)行溫度、高功率密度和良好動(dòng)態(tài)性能等特點(diǎn)，使得PEMFC成為燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的最佳選擇。PEMFC與能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的交叉使用已被廣泛研究，以在電動(dòng)車輛中同時(shí)獲得高功率、令人滿意的車輛行程和快速瞬態(tài)響應(yīng)。

在本文中，對6kW自增濕PEM燃料電池系統(tǒng)的性能進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)研究，旨在評估陽極排空頻率、氫再循環(huán)水平、理論空燃比、以及堆疊溫度在穩(wěn)定的FCS可靠性能中的作用狀態(tài)、預(yù)熱和負(fù)載變化測試。在測試過程中不斷監(jiān)測總電流、電池電壓、堆疊和冷卻溫度、反應(yīng)物壓力、空氣流量和排空，以確定和應(yīng)用控制策略。

在穩(wěn)態(tài)條件下，發(fā)現(xiàn)0.92的燃料利用系數(shù)的排空頻率足以控制正確的堆疊工作，而沒有明顯的氫再循環(huán)效應(yīng)。在死端運(yùn)行中檢測到每次排空操作之前，只有可逆電壓衰減。在暖機(jī)階段，在死端模式下遇到了不穩(wěn)定的運(yùn)行狀況，沒有實(shí)現(xiàn)通過排空頻率和空氣流速增加的聯(lián)合作用而完全恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。在這種情況下，證明了氫再循環(huán)活化的決定性作用。在具有不同功率變化率特征的動(dòng)態(tài)階段，在死端模式的加速階段，總是需要多次額外的連續(xù)排空操作，以避免危險(xiǎn)的電池電壓波動(dòng)，但它們也不足以保證完整的性能恢復(fù)。額外的排空干預(yù)措施在循環(huán)流通時(shí)也是必要的，但是它們可以使電池電壓的均勻性得到良好的恢復(fù)。

4　共享住宅燃料電池系統(tǒng)為燃料電池汽車提供氫氣的可能性[4]

燃料電池車（FCVs）是減少二氧化碳（CO2）排放的解決方案之一。通過電化學(xué)反應(yīng)，燃料電池車可以作為能源來發(fā)電，其中氫作為燃料，氧氣或空氣作為氧化劑。住宅聚合物電解質(zhì)燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)（住宅PEFC系統(tǒng)）通過內(nèi)部氣體重整器從城市燃?xì)庵挟a(chǎn)生氫氣，并同時(shí)發(fā)電，產(chǎn)生熱水（圖2）。從運(yùn)行的角度來看，眾所周知，住宅PEFC系統(tǒng)不能連續(xù)工作，卻可以長時(shí)間停機(jī)，因?yàn)橄到y(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)可以產(chǎn)生足夠的熱水。換句話說，目前住宅太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)受到用水量的限制。

圖2　PEFC系統(tǒng)能量流

這項(xiàng)研究側(cè)重于住宅PEFC系統(tǒng)的閑置時(shí)間。由于它們的氣體重整器是免費(fèi)的，系統(tǒng)在部分負(fù)載操作期間有可能產(chǎn)生氫氣。初步預(yù)計(jì)，在氫氣加氣站足夠分配之前，住宅PEFC系統(tǒng)可以為燃料電池車（FCV）提供氫氣。從這個(gè)角度來看，這項(xiàng)研究的目的是評估住宅PEFC系統(tǒng)的氫生產(chǎn)潛力。住宅PEFC系統(tǒng)通過混合整數(shù)線性規(guī)劃建模，以優(yōu)化包括FCV的氫氣供應(yīng)在內(nèi)的操作。目標(biāo)函數(shù)表示年度系統(tǒng)成本在能量平衡約束下最小化。應(yīng)該注意的是，氣體重整器和燃料電池堆的部分負(fù)載特性被考慮在內(nèi)以得出最佳操作方法。該模型用于估算住宅PEFC系統(tǒng)可能的氫氣供應(yīng)量。

結(jié)果表明，該系統(tǒng)至少可以滿足8000公里運(yùn)輸?shù)臍錃庑枨?，這與日本乘用車的年平均里程相當(dāng)。此外，與兩戶引入PEFC的情況相比，通過與兩個(gè)家庭共用住宅PEFC系統(tǒng)產(chǎn)生的氫氣對于減少用于FCV的氫氣供應(yīng)的一次能源消耗更有效。

5　SSH2S（燃料電池耦合固態(tài)儲(chǔ)氫罐）：基于高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的輔助動(dòng)力裝置的復(fù)雜氫化物中的氫儲(chǔ)存系統(tǒng)[5]

在本文中，作者報(bào)告了SSH2S（燃料電池耦合固態(tài)儲(chǔ)氫罐）項(xiàng)目的結(jié)果，旨在開發(fā)氫燃料輔助動(dòng)力裝置（APU）以安裝在輕型商用車上。開發(fā)了一種基于氫化物的原型儲(chǔ)氫罐，它與高溫聚合物燃料電池堆熱耦合，工作溫度在160℃和180℃。該項(xiàng)目得到了歐洲燃料電池和氫氣聯(lián)合承諾（FCH-JU）的支持。

在這項(xiàng)工作中，介紹了帶有固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的HTPEM燃料電池APU的開發(fā)。固態(tài)氫儲(chǔ)存系統(tǒng)在160-180℃完全可逆。該APU采用了混合的氨基鋰/氫化鎂體系與金屬氫化物的組合以利用兩種材料的優(yōu)點(diǎn)。該輔助動(dòng)力裝置將儲(chǔ)存系統(tǒng)與高溫質(zhì)子交換膜燃料電池堆集成并熱耦合而成的。APU安裝在輕型商用車上，其性能在城市循環(huán)中得到驗(yàn)證，其工作條件類似于現(xiàn)實(shí)生活中的工作條件。該系統(tǒng)的工作原理基于利用燃料電池堆釋放的熱量從固態(tài)氫儲(chǔ)罐中解吸氫氣（圖3）。這可能歸功于燃料電池的高運(yùn)行溫度以及所開發(fā)的儲(chǔ)氫材料的相對較低的氫解吸溫度。值得注意的是，這種方法可以回收由燃料電池堆釋放的部分熱量，而在采用壓縮氫氣的APU系統(tǒng)中，它必須擴(kuò)散到環(huán)境中。

圖3　APU原理圖

存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)想是利用復(fù)合物和金屬氫化物的熱耦合的新概念。該解決方案結(jié)合了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，并有利于充電過程：在氫氣吸收的第一階段，在環(huán)境溫度下，MeH釋放的熱量有助于將反應(yīng)床的溫度提高到100℃。當(dāng)CxH系統(tǒng)也可以開始?xì)錃馕諘r(shí)，在解吸期間，MeH的快速解吸動(dòng)力學(xué)可以幫助維持來自燃料電池堆的氫的暫時(shí)峰值請求。

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