燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，现在得到了研究者的广泛关注。

文献[1]对高温质子交换膜燃料电池系统的设计及研究现状进行了介绍；文献[2]对质子交换膜燃料电池系统故障诊断方法进行了介绍；文献[3]介绍了一种质子交换膜燃料电池的高效和高功率密度Pt/C催化剂涂覆膜电极制造方法；文献[4]对质子交换膜燃料电池系统控制策略进行了综述；文献[5]对可逆/再生的氢燃料电池系统设计的难点及其结构进行介绍；文献[6]介绍了一种燃料电池热机混合系统的设计思路，可以充分利用能源。

1　高温质子交换膜燃料电池系统的研究[1]

质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术的研究得到越来越多国家的重视，该电池便于携带，适用于汽车等场合。LT-PEMFC（低温质子交换膜燃料电池）通常以全氟磺酸（NaF）作为电池膜。该材料具有一个疏水相和一个作为亲水相的磺酸基团。但是为保证NaF膜传导电荷的能力，需要保证膜的水合状态，以保持电池最佳性能。为此，在LT-PEMFC的堆叠设计中必须考虑水管理系统，否则水会影响整个电池系统的功率和效率。

燃料电池技术的成功取决于整个电池系统的耐用性、可靠性和成本。与传统的LT-PEMFC相比，HT-PEMFC（高温质子交换膜燃料电池）系统结构更加简单，因为不需要水管理系统，所以可以更好地利用电池堆产生的热量。将HT-PEMFC应用于汽车等场合，需要采用合适的系统，并提高系统的耐久性。

文中对影响HT-PEMFC组件及其系统性能的关键参数进行了深入的研究。HT-PEMFC系统通常由反应物燃料系统、热管理系统和冷却系统组成（图1），对这些子系统中各种参数进行研究是非常重要的。特别是对于像汽车这样的瞬态负载需求变化较大的情况。在燃料电池运行过程中，由于气体供给不当，快速负载变化现象，启动/关闭过程不当等，可能会导致催化剂和膜的加速和永久性损坏。

研究表明，HT-PEMFC设计的关键问题之一是：需要重视加热和冷却管理系统的设计，并采用合理的加热策略使电池堆温度分布均匀，且能够在短时间内加热。同时，文中表明还需进一步对HT-PEMFC系统的关键参数进行研究，在其商业化之前对其进行优化。

图1　HT-PEMFC系统结构

2　质子交换膜燃料电池系统故障诊断方法 [2]

最近，随着全球能源需求的增长，预计会对环境污染和与全球变暖等问题产生巨大影响。因此，开展清洁能源研究至关重要。在不同的解决方案中，使用氢气供能，是较环保的途径。可以通过燃料电池（FC）系统将氢转化为电能。燃料电池（FC）可持续发电，被认为是未来有前途的能源之一。

质子交换膜（PEM）更适合用于日常应用。为了将质子交换燃料电池（PEMFC）引入市场，应保证这种技术具有足够的运行可靠性、足够的使用寿命和可接受的成本。

FC系统是一种电化学装置，可将燃料的化学能转化为电能，运行期间会产生水和热量，而不会产生温室气体，且能源转换效率较高。根据所使用的电解质类型，有多种类型的FC（图2）。其中，质子交换燃料电池（PEMFC）性能较好，发电功率较大，得到广泛地研究和应用。在使用PEMFC时，希望电池系统有较好的耐久性，发生故障时可以诊断出原因。

PEMFC容易受到可能导致其停止或永久性损坏的故障的影响，为确保系统的安全运行，有必要使用系统技术来检测和隔离故障。文中介绍了PEMFC故障树（图3）及故障诊断的各种技术，故障诊断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电堆内部设置大量的传感器，一些参数还无法测量，对于非基于模型的故障诊断方法则需要试验数据库，是比较简单的方法，该方法可以结合人工智能（AI）的专家系统决策过程，自动完成诊断过程。

图2　燃料电池堆结构

图3　燃料电池堆故障树[3]

3　高效低Pt/C催化剂涂覆膜燃料电池[4]

自从20世纪60年代首次使用PEMFC以来，PEMFC中Pt族金属（PGM）的装载量已经降低了两个数量级。在大多数现代工业国家，需要进一步降低PGM的装载量，将其降低到内燃机汽车催化转化器同一水平。美国能源部已经设定了到2020年，在PEMFC中铂族金属装载的目标值为125μg/kW，总铂族金属负载量为125μg/cm2。

以往降低铂装载量的方法包括：溅射、电沉积、离子束技术和电喷雾技术。本文中介绍了一种使用高效和高功率密度Pt/C催化剂涂覆膜（CCM）层的新方法。研究表明，将这种电极沉积方法与浮动电极技术结合使用，可以在没有传输限制的情况下，对整个燃料电池的氢气氧化和氧气还原进行动力学测量。

结果表明，通过使用这种改进形式的电极沉积方法，可以制造出可商业化的CCM和高Pt利用率的电极。这种CCM制造方法不仅简单，而且可重复制造出薄且均匀分布的高性能催化剂层，并且有可能通过优化的催化剂和碳的比例，获得更高的性能。

文中对CCM及电极的制造方法进行了简要介绍，并将其应用于PEMFC。对PEMFC进行测试表明，采用这种方法设计的燃料电池，无需高性能Pt合金催化剂，即可满足电池性能要求。

4　质子交换膜燃料电池系统控制策略综述[5]

当前，化石燃料正在迅速耗尽，这威胁到世界的能源安全。另外，化石燃料污染环境并引起酸雨、全球变暖等问题。氢能和燃料电池是未来最有前途的绿色能源和能源转换装置。质子交换膜燃料电池（PEMFC）在燃料电池中，具有能量密度高等优点，已有大量的相关研究。

虽然PEMFC具有高能量密度的优点，吸引了大量科研人员进行研发，但其商业化仍受到许多挑战，包括：降低成本、提高性能和增加耐久性。虽然这些挑战可以通过材料选择来解决，但PEMFC的耐用性也受到电压反转和燃料不足的影响。

文中，对PEMFC控制子系统进行了综述研究，特别关注电池的控制策略，以避免燃料匮乏，并对各种控制方法的特点进行了研究。以往PEMFC中采用经典的比例积分和微分（PID）控制器，用于反馈电压控制和前馈电流控制，进而控制氢气和空气流量。采用滑动模式控制器的设计，可以适应不断变化的动态响应。采用自适应控制器（AC），如负载调节器和极值搜索控制器，可以不断更新控制操作。

最新进展：神经网络控制（NNC）、模糊逻辑控制（FLC）和FLC-PID控制等人工智能，已被用于PEMFC系统控制中，因为它们更简单、更便宜，不像AC需要大量计算，可获得更好的结果。

5　PEM可逆/再生的氢燃料电池系统[6]

可逆/再生燃料电池（RFC）是一种可在电解池模式或燃料电池模式下运行的装置。在电解池模式下，基于水分解反应的RFC系统，通过消耗电能（来源于太阳能、风能等清洁能源）将液态水分解成氢气和氧气；在燃料电池模式下，RFC将储存的氢气和氧气用于再生电力并重新形成水。

单元化再生燃料电池（URFC）是一种既可用作燃料电池又可用作电解槽的单电池。与使用单独的电解槽和传统的氢气燃料电池系统相比，URFC具有重量轻、体积小的优点，具有很大的应用潜力。

文中回顾了这种技术的研究历程，并确定了使用URFC系统在技术和经济上面临的主要技术挑战。研究表明，URFC中的氧气侧催化剂层对结构设计要求更高，因为必须制造双功能催化剂层和气体扩散层（GDL），可以保证其在电解池和燃料电池模式中的功能。URFC发展的主要目标是获得与具有单独的电解槽和燃料电池系统非常接近的能量效率。

研究表明，如果可以克服这些挑战，基于质子交换膜（PEM）技术的URFC有可能降低整个氢燃料电池系统的成本，并且在电解池模式下可以提供清洁的氢气用于发电。

6　不可逆熔融碳酸盐燃料电池热机混合系统[7]

近几十年来，研究者对可再生能源新技术进行了大量研究，因为这些技术是解决增加的能源需求和环境问题的最有前景的解决方案。燃料电池可提供电力，工作中产生的高温废热可进行回收利用，同时其有灵活的燃料选择，通过电化学反应发电，氢是燃料电池系统的主要能源。

近来，已经有大量关于不可逆燃料电池热力循环性能的研究，这些燃料电池包括：固体氧化物燃料电池（SOFC）、分子碳酸盐燃料电池（MCFC）、质子交换膜燃料电池（PEM）、直接碳燃料电池（DCFC）和磷酸盐酸性燃料电池（PAFC）。已有论文中，利用PEM和PACF前循环制造出吸收式制冷机，用于制冷应用。而MCFC有较多高温余热，可以用来进行热电联产，设计混合系统，可应用于MCFC混合系统设计的热机，包括斯特灵热机、燃气轮机等。

Braysson循环是Brayton和Ericson的热机的组合，是一种可以用作MCFC混合系统底层系统的热力发动机。这些热机可能是可再生能源发电的补充方案。文中考虑基本的热力学参数（如功率输出、效率），对MCFC-Braysson混合系统的性能进行了研究。另外，文中提出了生态功能和基于生态功能的新标准，对混合系统参数进行了优化。

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