氢供气系统综述

化石燃料的消耗和依赖以及其对环境的影响刺激了全球对可持续能源发展的兴趣。目前以碳为基础的能源体系应该转向能源供需平衡、保护环境，同时确保能源安全和经济可行性的新能源体系。目前，在各种替代方案中，基于氢的新能源系统是成功实现能源转型的最有前途的解决方案之一。

文献[1]提出了一种新的方法来确定基于RES(Renewable Energy Sources)的氢气供应系统的最佳配置和运行；文献[2]主要介绍了一种与含氮氢气一起使用的聚合物电解质燃料电池策略的开发；文献[3]确定了一种管理策略用来确保在稳定状态，预热和负载变化阶段期间有效和可靠的电池性能；文献[4]主要论述了共享住宅燃料电池系统为燃料电池汽车提供氢气的可能性；文献[5]主要介绍了一种基于高温质子交换膜燃料电池的辅助动力装置的复杂氢化物中的氢储存系统。

1　基于可再生能源的供氢系统设计与运行技术集成与优化[1]

氢作为能源载体的主要优势是资源生产的多样性。氢不仅可以从石油，天然气和煤炭等不可再生能源中生成，还可以由风能，生物质能和太阳能等可再生能源（RES）生产。生产源的这种多样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的集中式氢气供应系统由各种转化技术以及相应的质量（例如水和生物质）和能量（例如电力）流组成。为了提供可能的系统配置的整体视图，考虑了基于网络表示的上层结构。在基于RES的氢气供应系统中，考虑了五种主要资源：风能、太阳能、潮汐能、生物质和海水。这些资源用于产生必要的能量（即电力）和材料（即水）或直接转化为氢气。为了估算RESs的潜力，使用气象数据，例如风速，太阳辐射和生物量的可用性。此外，本研究中使用的生物量中的木质纤维素原料包括作物残渣和木质废物，以避免能源和粮食生产之间的冲突。

这项研究提供了一个基准模型和一套框架，用于分析基于RES的氢气供应系统的可行性和经济性，并指出了技术集成的主要成本驱动因素和决策变量。尽管基准模型已经应用，但超越本研究的进一步改进对于确定潜在系统的实际障碍至关重要。例如纳入不同的技术和资源，考虑精确的RES数据和资源（即生物质）和氢的物流空间。因此，未来的研究将在此研究的基础上进行供应链的优化，生命周期分析和主要技术的详细技术经济评估，以及开发先进的系统集成理论。

2　与含氮氢气一起使用的聚合物电解质燃料电池策略的开发[2]

在寻找化石燃料的替代品时，氢气由于其高重力能量密度而成为一种有吸引力的能源载体。然而，其作为燃料的用途产生了许多担忧，尤其是由于其体积能量密度低而需要将气体储存在合理体积内的高压或复杂的低温系统而造成的相关安全性问题（包括运输和使用加压易燃气体）。因此，近年来，储氢研究集中在化学储存方法上，以开发具有高重量和体积密度的潜在材料。

实际上，单个燃料电池系统将需要特别调整的运行条件。识别合适的死端阳极排水策略的有效方法是使用实验设计（DoE）方法。这需要创建一个因子实验方案，通过最小化所需的测试运行次数以及最大限度地提高所得结果的准确性来提高生产力,试验装置图见图1。由于燃料电池具有广泛的组件选择和运行条件，因此DoE广泛用于材料性能分析。

图1　试验装置图

实验发现随着供应给H-100燃料电池阳极的燃料中的氮含量增加，电压降低速率增加，这表明电压损失与阳极通道中的N2积聚相关。当电流密度增加时，这种影响会延长。使用多线性模型的实验设计方法在评估主要运行参数（排水间隔，死端间隔和电流密度）的作用以及确定是否存在任何二次或二次效应方面是有效的。所得到的表面响应曲线显示堆叠效率受电流密度的严重影响，并确定了与氨分解产物气体混合物一起使用的可行排水策略的条件。因此，这种PEFC排水策略扩展了氨分子在替代能源市场中作为储氢载体的潜力，使其在环保可持续的便携式，运输和离网发电应用中的实施更进一步。

3　自氢气净化和加料策略增湿质子交换膜燃料电池系统[3]

以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池（PEMFCs）代表了清洁发电的有前景的技术。它们具有快速启动、低运行温度、高功率密度和良好动态性能等特点，使得PEMFC成为燃料电池动力系统的最佳选择。PEMFC与能量存储系统的交叉使用已被广泛研究，以在电动车辆中同时获得高功率、令人满意的车辆行程和快速瞬态响应。

在本文中，对6kW自增湿PEM燃料电池系统的性能进行了全面的实验研究，旨在评估阳极排空频率、氢再循环水平、理论空燃比、以及堆叠温度在稳定的FCS可靠性能中的作用状态、预热和负载变化测试。在测试过程中不断监测总电流、电池电压、堆叠和冷却温度、反应物压力、空气流量和排空，以确定和应用控制策略。

在稳态条件下，发现0.92的燃料利用系数的排空频率足以控制正确的堆叠工作，而没有明显的氢再循环效应。在死端运行中检测到每次排空操作之前，只有可逆电压衰减。在暖机阶段，在死端模式下遇到了不稳定的运行状况，没有实现通过排空频率和空气流速增加的联合作用而完全恢复稳定运行。在这种情况下，证明了氢再循环活化的决定性作用。在具有不同功率变化率特征的动态阶段，在死端模式的加速阶段，总是需要多次额外的连续排空操作，以避免危险的电池电压波动，但它们也不足以保证完整的性能恢复。额外的排空干预措施在循环流通时也是必要的，但是它们可以使电池电压的均匀性得到良好的恢复。

4　共享住宅燃料电池系统为燃料电池汽车提供氢气的可能性[4]

燃料电池车（FCVs）是减少二氧化碳（CO2）排放的解决方案之一。通过电化学反应，燃料电池车可以作为能源来发电，其中氢作为燃料，氧气或空气作为氧化剂。住宅聚合物电解质燃料电池热电联产系统（住宅PEFC系统）通过内部气体重整器从城市燃气中产生氢气，并同时发电，产生热水（图2）。从运行的角度来看，众所周知，住宅PEFC系统不能连续工作，却可以长时间停机，因为系统在短时间内可以产生足够的热水。换句话说，目前住宅太阳能光伏发电系统受到用水量的限制。

图2　PEFC系统能量流

这项研究侧重于住宅PEFC系统的闲置时间。由于它们的气体重整器是免费的，系统在部分负载操作期间有可能产生氢气。初步预计，在氢气加气站足够分配之前，住宅PEFC系统可以为燃料电池车（FCV）提供氢气。从这个角度来看，这项研究的目的是评估住宅PEFC系统的氢生产潜力。住宅PEFC系统通过混合整数线性规划建模，以优化包括FCV的氢气供应在内的操作。目标函数表示年度系统成本在能量平衡约束下最小化。应该注意的是，气体重整器和燃料电池堆的部分负载特性被考虑在内以得出最佳操作方法。该模型用于估算住宅PEFC系统可能的氢气供应量。

结果表明，该系统至少可以满足8000公里运输的氢气需求，这与日本乘用车的年平均里程相当。此外，与两户引入PEFC的情况相比，通过与两个家庭共用住宅PEFC系统产生的氢气对于减少用于FCV的氢气供应的一次能源消耗更有效。

5　SSH2S（燃料电池耦合固态储氢罐）：基于高温质子交换膜燃料电池的辅助动力装置的复杂氢化物中的氢储存系统[5]

在本文中，作者报告了SSH2S（燃料电池耦合固态储氢罐）项目的结果，旨在开发氢燃料辅助动力装置（APU）以安装在轻型商用车上。开发了一种基于氢化物的原型储氢罐，它与高温聚合物燃料电池堆热耦合，工作温度在160℃和180℃。该项目得到了欧洲燃料电池和氢气联合承诺（FCH-JU）的支持。

在这项工作中，介绍了带有固态储氢系统的HTPEM燃料电池APU的开发。固态氢储存系统在160-180℃完全可逆。该APU采用了混合的氨基锂/氢化镁体系与金属氢化物的组合以利用两种材料的优点。该辅助动力装置将储存系统与高温质子交换膜燃料电池堆集成并热耦合而成的。APU安装在轻型商用车上，其性能在城市循环中得到验证，其工作条件类似于现实生活中的工作条件。该系统的工作原理基于利用燃料电池堆释放的热量从固态氢储罐中解吸氢气（图3）。这可能归功于燃料电池的高运行温度以及所开发的储氢材料的相对较低的氢解吸温度。值得注意的是，这种方法可以回收由燃料电池堆释放的部分热量，而在采用压缩氢气的APU系统中，它必须扩散到环境中。

图3　APU原理图

存储系统的设想是利用复合物和金属氢化物的热耦合的新概念。该解决方案结合了两种材料的优点，并有利于充电过程：在氢气吸收的第一阶段，在环境温度下，MeH释放的热量有助于将反应床的温度提高到100℃。当CxH系统也可以开始氢气吸收时，在解吸期间，MeH的快速解吸动力学可以帮助维持来自燃料电池堆的氢的暂时峰值请求。

[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.