燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给并进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。

文献[1]主要介绍了质子交换膜燃料电池的预测与健康监测;文献[2]对一种高效率的固体氧化物燃料电池系统进行了介绍；文献[3]对基于与斯特林发动机集成的固体氧化物燃料电池的热电联产系统的评估和优化进行了介绍；文献[4]对燃料电池和储能系统相关的知识进行了介绍；文献[5]针对改进的PEM燃料电池系统采用了级联堆叠和基于喷射器的再循环操作；文献[6]对乘用车聚合物电解质膜燃料电池系统进行了生命周期评估；文献[7]介绍了混合动力可再生能源氢燃料电池能量系统的优化和整合；文献[8]介绍了一种可再生能源和能源储存系统；文献[9]介绍了质子交换膜燃料电池的结构、模型及节能；文献[10]主要介绍了一种用于高效发动机-混合动力燃料电池系统的低温无反应热源的甲烷蒸汽转化器的热设计。

1　质子交换膜燃料电池预测与健康监测[1]

燃料电池技术可以追溯到1839年，当时英国科学家William Grove爵士发现氢气和氧气反应可以发电。然而，由于目前的科技水平，燃料电池仍然不能与内燃机竞争，尽管它们具有零碳排放在内的许多优点。与氢气相比，化石燃料更便宜并且具有非常高的体积能量密度。此外，以液体的形式储氢仍然是一个巨大的挑战。另一个重要的特点是燃料电池的寿命长，因为它们的耐用性，可靠性和可维护性。

预测利用工程系统可持续性方面的新兴技术通过故障预防、可靠性评估和剩余的有用寿命进行估算。预测和健康监测可以提高燃料电池系统的耐用性，同时在可靠性和可维护性方面发挥了关键作用。本文主要介绍了质子交换膜燃料电池（PEMFC）预测和健康监测的最新技术，旨在确定这些领域的研究和发展机会，燃料电池堆的结构见图1。本文还强调了将PEMFC的预测和失效模式、机理和效应分析（FMMEA-Failure Modes,Mechanisms and Effects Analysis）与其他非清洁能源解决方案进行比较的重要性，以使其具有持续的竞争优势。

图1　燃料电池堆工作原理和零部件

随着对FMMEA的更好理解，故障模型可以进一步发展并整合到全球模型中，以实现更可靠的预测预报。为了改善PEMFC的预期寿命、效率和可维护性，PEMFC的控制系统策略可以基于这个全局模型。因此，设计人员和制造商之间的合作对于在健康监测和预测方面的共享信息和数据至关重要。因此，对PEMFC堆叠系统的健康监测和预测研究和开发至关重要，从而使无排放PEMFC技术可成为未来发电的真正可行的替代方案。

2　高效率的固体氧化物燃料电池系统的开发[2]

高温燃料电池系统的整体效率可以利用未反应的燃料和来自系统废气的热能来提高。甲烷蒸汽（MSR）反应也可使用阳极废气（AOG）中的大部分蒸汽来进行反应。在这项研究中，一种新型SOFC系统已经被开发出来。目前已经选择喷射器取代了再生式鼓风机作为AOG的再循环装置，同时阴极鼓风机已被替换为涡轮增压器。为了验证所提出的系统的效率增强，提出了另外两个参考系统，并且使用Aspen Plus比较了它们的效率。

为了更准确地估计系统性能，使用Fortran®子程序将集总电化学SOFC模型和一维喷射器模型结合到系统模型中。为了确定所提出的系统的最佳运行方案，通过改变操作参数（例如外部重整比率，燃料利用率等）来将其性能与另外两个参比系统的性能进行比较。目前，已经进行了三个系统的灵敏度分析，用以确定与系统效率有关的主要操作参数。由于AOG的重用，所提出的系统的电效率通常高于普通情况的电效率。然而，在某些操作条件下由于高燃料利用率和高ER比导致的系统废热不足，有可能低于普通情况。

所提出系统的电效率和热效率之间的差异是三个系统中最低的，这意味着所提出的系统燃料发热值的发电功率是三个系统中最高的。然而，所提出系统的系统效率是由于添加燃料重量的改变而发生变化，使得燃料利用率的受到严重的影响。该研究可以为SOFC独立系统的设计和运行优化提供有效的见解。

3　基于斯特林发动机集成的固体氧化物燃料电池的热电联产系统的评估和优化[3]

化石燃料的使用是导致温室气体排放和全球变暖最重要的原因之一。这主要是与有关能源需求量的不断增加和化石燃料（不可再生能源）的长期稀缺是密切相关的。在低效率能源系统中使用高成本能源通常是不合理的也是不可取的，所以寻求热电联产的新技术不仅能够提高系统效率，还能减少化石燃料的使用。在这些创新技术中，高温固体氧化物燃料电池（SOFC）作为清洁能源的主要驱动技术是热电联产（CHP）系统的一种十分有前途的选择。

固体氧化物燃料电池通过电化学反应将化学能直接转化为电能。由于SOFC中的移动部件和机械部件很少，因此不会产生噪音和振动，从而维护成本低和有应用潜力。此外，SOFC可以使用各种燃料，包括天然气甚至一氧化碳（CO）。与其他系统（如内燃机）相比，它们释放的CO2，SOx和NOx等污染物含量相对较低。本文从能量和可用能量的角度分析了基于甲烷供给的固体氧化物燃料电池（SOFC）与斯特林发动机集成的热电联产系统。通过改变四个关键系统参数来研究对系统性能的影响：电流密度、SOFC入口温度、压缩比和再生器效率。结果发现联合系统的能效为76.32%，比同等条件下的独立型SOFC装置提高了约24.61%。考虑到可用能效率是唯一的目标函数，实验发现随着SOFC入口温度的升高，热电联产系统的可用能量效率上升到最优值56.44%，然后下降。第二定律分析还表明，空气热交换器对所有系统部件的可用能损耗率最高，发动机的冷却水也可以满足小型家庭的供暖需求。

4　燃料电池和储能系统[4]

欧盟在2020年制定的目标已经引起了大家对电力管理的巨大关注，从可持续生产角度，研究和开发基于可再生能源的新生产技术。然而，储存可再生能源仍然是开发基于可再生能源的新技术的主要挑战。主要的储能技术可以分为：

（1）磁系统：超导磁储能；

（2）电化学系统：电池、燃料电池、超级电容器；（3）水电系统：水泵；

（4）气动系统：空气压缩机；

（5）机械系统：飞轮；

（6）热系统：熔盐、水或油加热器。

本文介绍了采用蛇形流板设计的质子交换膜燃料电池和储能系统。调查旨在探索燃料电池的最佳运行温度，同时探究湿度和大气压等参数对PEM燃料电池一般性能和效率的影响。为了在不同的操作条件下保证单个堆叠和生成5个电池堆燃料电池的极化曲线，需要编写许多代码。同时需要分析燃料电池中氢气和氧气消耗的详细信息以及它们对燃料电池性能的影响。

调查得出的结论是，所产生的开路电压低于文献中预测的理论电压。同时发现，电流或电流密度的增加降低了从燃料电池组中得到的电压。实验还清楚地证实，当从燃料电池获取更多电流时，在电池的阴极部分也会产生更多的水。因此需要有效的水管理策略以改善燃料电池的性能。其他参数如堆叠效率和功率密度也从实验结果进行分析。

5　改进的PEM燃料电池系统[5]

由聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）系统驱动的电动汽车具有零排放流动性，行驶距离长，充电时间短的特点。氢气和大气中的氧气被电化学反应以产生电力、热量和水。氢气储存在高压罐中，压力高达70MPa，并以低压供应给燃料电池。燃料电池供应过量的氢气以防止活性区域内的局部不平衡和燃料不足，而活性区域内的局部不平衡和燃料不足将导致电极快速腐蚀。

在本文中，作者研究了具有级联堆栈功能的基于喷射器的氢气供应系统的性能，以便在低负载操作时提高喷射器的性能并扩展燃料电池系统的操作范围。首先，介绍了具有设计参数和可变几何喷射器的燃料电池堆的模型(见图2)。然后，作者展示用于研究具有级联阳极的燃料电池堆的实验设置。在结果部分，作者介绍了设计的燃料电池组，可变几何形状的喷射器和新的氢气供应系统设置的性能。在级联燃料电池堆设计中，第一级的氢气流逆向流向空气和冷却剂。使用该技术是因为阳极的低再循环流导致阳极入口处的湿度较低。为了实现系统简化，不考虑氢气加湿的选项。在第二阶段，所有三种流体都以并流流动。在这个阶段，氢气在第一阶段被加湿，并且在这个阶段的共流是可以接受的。

图2　燃料电池堆模型和主动循环系统

在燃料电池输出功率低时，必须采用适当的净化策略来处理氮气。采用级联堆叠的新设计将稳定的燃料电池操作范围扩展到更小的燃料电池电流，从而减小燃料电池的功率输出。该结果对于燃料电池和混合动力车辆非常有用，其中需要以最小化电池尺寸输出小型燃料电池功率。

6　乘用车聚合物电解质膜燃料电池系统的生命周期评估[6]

在迈向更加可持续发展的社会中，氢燃料电解质膜（PEM）燃料电池技术被视为减少交通运输工具对环境影响的绝佳机会。然而，与诸如电池电动车辆（BEV）等替代绿色汽车相比，决策者面临着生产燃料电池车辆（FCV）带来的一定环境后果的挑战。和更传统的内燃机车辆（ICEV）相比，在这项工作中，作者提出了一个FCV的综合生命周期评估（LCA），重点关注其生产阶段，并与BEV和ICEV的生产阶段进行比较。

表1　参数灵敏度分析研究

在制造阶段，FCV库存从催化剂层到氢罐，对燃料电池组和燃料电池系统的一些关键部件（如设备平衡和氢气罐）进行了灵敏度分析，以证明材料和库存模型的不同假设(见表1)。与其他两种车辆动力源的生产相比，燃料电池车辆的生产过程对于环境影响的要求更为严格，这主要是由于氢气罐和燃料电池堆对于反应环境的要求较高。但是，通过结合每个组件的敏感性分析结果-最佳情况显示，与基准FCV情景相比，FCV的气候变化影响因素有可能减少25%。

降低与制造燃料电池车辆相关的环境影响是当前一个重要的挑战。同时，还考虑了整个生命周期的评估，并对FCV、电动车辆和传统柴油车辆的制造、使用和处置进行了比较。总的来说，ICEV的全球变暖潜能最高，这主要是由于使用阶段和与柴油相关的化石燃料碳排放量有关。

7　混合动力可再生能源氢燃料电池能量系统的优化和整合[7]

目前，发电是减少二氧化碳排放量的最佳替换方式。可以预见的是氢能技术在未来将实现通过使用可再生能源替代化石燃料，同时将全球变暖控制在2摄氏度的情景中发挥重要的作用。

燃料电池电动车辆的电力转换将进一步增加对低碳发电的需求。为了成功过渡到可再生能源经济，传统的设计能源系统的方法只能达到与技术（容量，可用性，可靠性）和经济性（投资回报率，对消费者的成本）相关的目标，然而需要更为全面的发展，比如解决环境问题和社会问题的其他目标。目前情况下的优化是在给定的一组情况下获得最佳结果，并且受到技术性限制的行为。

从能源系统利益相关者的角度来看，优化可以被看作是根据环境和限制条件,从资源中获得最佳的结果，从包括能源和金融在内的承诺资源中获得最佳结果。在最简单的层面上，RES(Renewable Energy System)中优化过程的主要输出是一个系统中每个组件的大小（能量和/或功率容量）的规格，其配置是预先确定的。在更复杂的层面上，还可以通过系统组件的一组可能配置（例如微电网总线类型的选择）来进行优化，包括由系统控制器实施的实时重新配置（例如通过电力路由能量或氢、或两者）。正确的组件尺寸是实现正常运行系统的关键，该系统可以满足其技术和非技术设计目标，但尺寸选择与组件配置的选择密切相关。

8　可再生能源和能源储存系统[8]

第八届可持续能源和环境保护国际会议是A.G.Olabi教授于2004年成立的系列SEEP会议的一部分，在过去的几年中已发布了7个专题，会议编辑在许多出版物中做出了贡献主要包括可再生能源和环境问题：氢和燃料电池，生物燃料，太阳能和空气污染和环境问题。在以前的SEEP会议上发表了许多文章,发表文章涵盖所有可再生能源和环境主题。主要的主题是：氢能和燃料电池开发、电动汽车、风能和规划问题、光伏和太阳能、生物能源、替代能源和环境问题、管道换热器及相关燃料效率和环境保护。

论文主要研究开发了一种独特的三维计算流体动力学电化学模型，将开孔泡沫材料作为流动板，将其与双通道流动板和实验结果进行比较，在质子交换膜燃料电池中的材料中研究作为传统流动板的替代物的应用。

使用相同的膜电极组件和操作参数，检查模拟模型，包括氢气和氧气分布以及水分活度。分析了模型和实验得到的IV曲线，并对结果进行了讨论。该模型通过将仿真IV曲线结果与实验结果进行比较来验证，并且识别了模型限制。结果表明，与双通道燃料电池相比，开孔多孔泡沫材料流动板在燃料电池中可以从入口到出口更均匀地分配氢气和氧气，在模拟和实验运行中均优于双通道燃料电池。

9　质子交换膜燃料电池节能技术[9]

电动汽车需要燃料电池以达到环保和高度节能的目的。本文回顾了关于车用PEMFC应用的关键技术问题。它还讨论了车辆PEMFC膜结构与电极性能之间的关系。在汽车振动台上研究了机械振动对动态响应的影响。

PEMFC是涉及膜材料、聚合物、电化学、界面、热力学和纳米能源的复杂系统之一。由于车辆PEMFC的连续运行，如果设备产生的热量不能及时释放，其内部温度会逐渐升高，车辆PEMFC的强度、效率和输出电压均会降低。因此，聚合物薄膜的热力学和界面效应应该受到关注，这是PEMFC技术的核心。在负极和正极之间是聚合物质子交换膜，H+移动到负极反应并产生水(见图3)。在电动汽车的重负荷下，内部电流密度增加，它加强了电化学反应并产生更多的水。此时，如果没有排水，则负极会被淹没，正常的电化学反应会被破坏，从而导致PEMFC失效。

图3　PEMF纳米级膜中水的生成机理

效率是反映燃料电池发动机（FCE）性能的重要因素。评估效率应该考虑FCE的效率特性和常见工作条件。本文根据驾驶循环分析了FCE在实际工况下的输出功率，得出了四个效率评估点及其加权值。然后，使用评分函数将四个评估点的效率值转换成分数。将得分乘以它们的加权值并将它们相加，我们可以得到效率属性的总体分数，该方法能合理客观地评价FCE的效率性能。本文对FCE效能评估进行探索性研究，并基于评分方法评估FCE效率绩效。根据驾驶循环，分析FCE在实际工况下的输出功率，得出FCE的四种主要运行模式。考虑到FCE效率的测试方法及其性能，我们得到了四个效率评估点及其权重。然后用适当的评分函数来评价评价点。将分数乘以它们的权重并将它们加在一起，就可以得到FCE效率的总体分数。

10　用于高效发动机-混合动力燃料电池系统的低温无反应热源的甲烷蒸汽转化器的热设计[10]

在混合燃料电池系统中，贫燃料阳极废气需要通过额外的发电或利用热能来加热辅助设备来提高系统效率是非常有用的。在这项研究中，混合动力系统的热能首先用于均质充量内燃机的额外动力，然后供应给外部转化器加热。与其他混合燃料电池系统不同，由于其低温特性，利用来自发动机废气的热能是非常困难的。

本研究是与“100kW级高温燃料电池发动机混合动力系统工程技术开发”合作项目开展的。在该项目中，开发了一种由固体氧化物燃料电池和均质充量内燃机组成的混合动力系统。当内燃机排出的气体热能将外部甲烷转化成甲烷的某些部分或者转化为氢气时，分析表明整个系统的效率可以提高。发动机耗尽的外部重整器是用计算机模拟进行分析的。本研究不集中于催化剂的性能，而是关注以发动机排出的废气作为热源的外部甲烷蒸汽转化器的实际性能。通过实验验证了模拟模型，并研究了径向和纵向温度分布对甲烷转化率的影响。还利用蒸汽-碳比（SCR）、热源流量和几何变化分析了重整反应特性。

这项研究主要集中在外排甲烷蒸汽转化器的发动机排气的计算分析，计算模型通过实验验证并进行参数研究。结果表明，纵向和径向的温度均匀性对于甲烷转化效率至关重要。另外，甲烷转化率也取决于管侧传热的性能。当甲烷总流量固定时，甲烷转化率显示出随着蒸汽与碳比（SCR）的增加而平衡。最后，灵敏度研究表明，传热面积和反应器长度是蒸汽重整发动机排出气体的主要参数。

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