氫供氣系統綜述

化石燃料的消耗和依賴以及其對環境的影響刺激了全球對可持續能源發展的興趣。目前以碳為基礎的能源體系應該轉向能源供需平衡、保護環境，同時確保能源安全和經濟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是成功實現能源轉型的最有前途的解決方案之一。

文獻[1]提出了一種新的方法來確定基于RES(Renewable Energy Sources)的氫氣供應系統的最佳配置和運行；文獻[2]主要介紹了一種與含氮氫氣一起使用的聚合物電解質燃料電池策略的開發；文獻[3]確定了一種管理策略用來確保在穩定狀態，預熱和負載變化階段期間有效和可靠的電池性能；文獻[4]主要論述了共享住宅燃料電池系統為燃料電池汽車提供氫氣的可能性；文獻[5]主要介紹了一種基于高溫質子交換膜燃料電池的輔助動力裝置的復雜氫化物中的氫儲存系統。

1　基于可再生能源的供氫系統設計與運行技術集成與優化[1]

氫作為能源載體的主要優勢是資源生產的多樣性。氫不僅可以從石油，天然氣和煤炭等不可再生能源中生成，還可以由風能，生物質能和太陽能等可再生能源（RES）生產。生產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的集中式氫氣供應系統由各種轉化技術以及相應的質量（例如水和生物質）和能量（例如電力）流組成。為了提供可能的系統配置的整體視圖，考慮了基于網絡表示的上層結構。在基于RES的氫氣供應系統中，考慮了五種主要資源：風能、太陽能、潮汐能、生物質和海水。這些資源用于產生必要的能量（即電力）和材料（即水）或直接轉化為氫氣。為了估算RESs的潛力，使用氣象數據，例如風速，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纖維素原料包括作物殘渣和木質廢物，以避免能源和糧食生產之間的沖突。

這項研究提供了一個基準模型和一套框架，用于分析基于RES的氫氣供應系統的可行性和經濟性，并指出了技術集成的主要成本驅動因素和決策變量。盡管基準模型已經應用，但超越本研究的進一步改進對于確定潛在系統的實際障礙至關重要。例如納入不同的技術和資源，考慮精確的RES數據和資源（即生物質）和氫的物流空間。因此，未來的研究將在此研究的基礎上進行供應鏈的優化，生命周期分析和主要技術的詳細技術經濟評估，以及開發先進的系統集成理論。

2　與含氮氫氣一起使用的聚合物電解質燃料電池策略的開發[2]

在尋找化石燃料的替代品時，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生了許多擔憂，尤其是由于其體積能量密度低而需要將氣體儲存在合理體積內的高壓或復雜的低溫系統而造成的相關安全性問題（包括運輸和使用加壓易燃氣體）。因此，近年來，儲氫研究集中在化學儲存方法上，以開發具有高重量和體積密度的潛在材料。

實際上，單個燃料電池系統將需要特別調整的運行條件。識別合適的死端陽極排水策略的有效方法是使用實驗設計（DoE）方法。這需要創建一個因子實驗方案，通過最小化所需的測試運行次數以及最大限度地提高所得結果的準確性來提高生產力,試驗裝置圖見圖1。由于燃料電池具有廣泛的組件選擇和運行條件，因此DoE廣泛用于材料性能分析。

圖1　試驗裝置圖

實驗發現隨著供應給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。當電流密度增加時，這種影響會延長。使用多線性模型的實驗設計方法在評估主要運行參數（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方面是有效的。所得到的表面響應曲線顯示堆疊效率受電流密度的嚴重影響，并確定了與氨分解產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排水策略擴展了氨分子在替代能源市場中作為儲氫載體的潛力，使其在環保可持續的便攜式，運輸和離網發電應用中的實施更進一步。

3　自氫氣凈化和加料策略增濕質子交換膜燃料電池系統[3]

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

在本文中，對6kW自增濕PEM燃料電池系統的性能進行了全面的實驗研究，旨在評估陽極排空頻率、氫再循環水平、理論空燃比、以及堆疊溫度在穩定的FCS可靠性能中的作用狀態、預熱和負載變化測試。在測試過程中不斷監測總電流、電池電壓、堆疊和冷卻溫度、反應物壓力、空氣流量和排空，以確定和應用控制策略。

在穩態條件下，發現0.92的燃料利用系數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效應。在死端運行中檢測到每次排空操作之前，只有可逆電壓衰減。在暖機階段，在死端模式下遇到了不穩定的運行狀況，沒有實現通過排空頻率和空氣流速增加的聯合作用而完全恢復穩定運行。在這種情況下，證明了氫再循環活化的決定性作用。在具有不同功率變化率特征的動態階段，在死端模式的加速階段，總是需要多次額外的連續排空操作，以避免危險的電池電壓波動，但它們也不足以保證完整的性能恢復。額外的排空干預措施在循環流通時也是必要的，但是它們可以使電池電壓的均勻性得到良好的恢復。

4　共享住宅燃料電池系統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。通過電化學反應，燃料電池車可以作為能源來發電，其中氫作為燃料，氧氣或空氣作為氧化劑。住宅聚合物電解質燃料電池熱電聯產系統（住宅PEFC系統）通過內部氣體重整器從城市燃氣中產生氫氣，并同時發電，產生熱水（圖2）。從運行的角度來看，眾所周知，住宅PEFC系統不能連續工作，卻可以長時間停機，因為系統在短時間內可以產生足夠的熱水。換句話說，目前住宅太陽能光伏發電系統受到用水量的限制。

圖2　PEFC系統能量流

這項研究側重于住宅PEFC系統的閑置時間。由于它們的氣體重整器是免費的，系統在部分負載操作期間有可能產生氫氣。初步預計，在氫氣加氣站足夠分配之前，住宅PEFC系統可以為燃料電池車（FCV）提供氫氣。從這個角度來看，這項研究的目的是評估住宅PEFC系統的氫生產潛力。住宅PEFC系統通過混合整數線性規劃建模，以優化包括FCV的氫氣供應在內的操作。目標函數表示年度系統成本在能量平衡約束下最小化。應該注意的是，氣體重整器和燃料電池堆的部分負載特性被考慮在內以得出最佳操作方法。該模型用于估算住宅PEFC系統可能的氫氣供應量。

結果表明，該系統至少可以滿足8000公里運輸的氫氣需求，這與日本乘用車的年平均里程相當。此外，與兩戶引入PEFC的情況相比，通過與兩個家庭共用住宅PEFC系統產生的氫氣對于減少用于FCV的氫氣供應的一次能源消耗更有效。

5　SSH2S（燃料電池耦合固態儲氫罐）：基于高溫質子交換膜燃料電池的輔助動力裝置的復雜氫化物中的氫儲存系統[5]

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

在這項工作中，介紹了帶有固態儲氫系統的HTPEM燃料電池APU的開發。固態氫儲存系統在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點。該輔助動力裝置將儲存系統與高溫質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，其性能在城市循環中得到驗證，其工作條件類似于現實生活中的工作條件。該系統的工作原理基于利用燃料電池堆釋放的熱量從固態氫儲罐中解吸氫氣（圖3）。這可能歸功于燃料電池的高運行溫度以及所開發的儲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系統中，它必須擴散到環境中。

圖3　APU原理圖

存儲系統的設想是利用復合物和金屬氫化物的熱耦合的新概念。該解決方案結合了兩種材料的優點，并有利于充電過程：在氫氣吸收的第一階段，在環境溫度下，MeH釋放的熱量有助于將反應床的溫度提高到100℃。當CxH系統也可以開始氫氣吸收時，在解吸期間，MeH的快速解吸動力學可以幫助維持來自燃料電池堆的氫的暫時峰值請求。

[1]Won W,Kwon H,Han J H,et al.Design and operation of renewable energy sources based hydrogen supply system:Technology integration and optimization[J].Renewable energy,2017,103:226-238.

[2]Okedi T I,Meyer Q,Hunter H M A,et al.Development of a polymer electrolyte fuel cell dead-ended anode purge strategy for use with a nitrogen-containing hydrogen gas supply[J].International Journal of Hydrogen Energy,2017,42(19):13850-13859.

[3]Migliardini F,Di Palma T M,Gaele M F,et al.Hydrogen purge and reactant feeding strategies in self-humidified PEM fuelcellsystems [J].InternationalJournalof Hydrogen Energy,2017,42(3):1758-1765.

[4]Ono Y,Haneda T,Ikegami T,et al.Possibility of hydrogen supply by shared residential fuel cell systems for fuel cell vehicles [J].Renewable Energy and Environmental Sustainability,2017,2:11.

[5]Baricco M,Bang M,Fichtner M,et al.SSH2S:Hydrogen storage in complex hydrides for an auxiliary power unit based on high temperature proton exchange membrane fuel cells[J].Journal of Power Sources,2017,342:853-860.