Energy Reviews | 小型质子交换膜燃料电池应用技术探索


文章题目:Application progress of small-scale proton exchange membrane fuel cell
关键词:Small-scale proton exchange membrane fuel cell, Transportation, Stationary, Portable Applications
原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970223000044
近日,天津大学焦魁教授团队在Energy Reviews发表文章“Application progress of small-scale proton exchange membrane fuel cell”, 该文章详细讨论了小型质子交换膜燃料电池在运输、固定和便携式发电机领域的前沿发展;具体而言,文章对当前小规模质子交换膜燃料电池研究的文献进行了分析,并探讨了不同应用场景下质子交换膜燃料电池系统操作的复杂性;最后,文章针对小规模、高比功率质子交换膜燃料电池系统提出了前瞻性观点和策略。
01 内容简介
1. Introduction (前言)
2. Transportation applications(交通应用)
2.1. Unmanned aerial vehicles(无人驾驶飞行器)
2.2. Underwater vehicles(水下航行器)
2.3. Light traction vehicles(轻型牵引车)
3. Stationary applications(固定式应用)
3.1. Uninterrupted power supply(不间断电源)
3.2. Residential cogeneration systems(住宅热电联产系统)
4. Portable applications(便携式应用)
5. Conclusion and outlook(结论和展望)

02 内容亮点
1、系统分析了小规模质子交换膜燃料电池的前沿应用进展,并强调了质子交换膜燃料电池在小型储电方面的新机遇;
2、探讨了小型质子交换膜燃料电池系统在不同应用场景下的操作复杂性及其关键性技术;
3、提出了推进基于质子交换膜燃料电池的小规模应用研究和开发的前瞻性观点和策略。
03 内容导读
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种很有前途的电化学电源,它通过电化学反应将燃料的化学能直接转化为电能。下图比较了几种类型的电化学能量转换和存储技术,如超级电容器(SC)、铅酸、镍金属氢化物(Ni-MH)电池、固态电池(SSB)、锂离子(Li-ion)电池、锂硫(Li-S)电池、锌-空气电池和质子交换膜燃料电池。在这些技术中,质子交换膜燃料电池因其高比能量(1000WH kg−1)、低污染排放和低工作温度的优势在过去十年中引起了研究界的极大兴趣。这种高比能量源于使用高比能量储存的氢气作为燃料,以及质子交换膜燃料电池的高能量转换效率(∼60%)。此外,质子交换膜燃料电池的低工作温度和环境友好性使其对小规模应用市场具有极大的吸引力。

小规模固定发电是指将电力小规模地分配给附近用户,并能够独立输出电能的系统。目前,常规能源技术(如ICE发电技术)和可再生能源技术(如太阳能、风能和地热发电技术)是小规模固定发电的主要技术。然而,常规能源造成的环境污染和可再生能源不可避免的间歇性是主要的技术障碍;为此,与固定应用中使用的当前技术相比,小规模质子交换膜燃料电池已被证明具有许多优点(例如,快速启动、零排放、更高的发电效率、低噪音水平和紧凑性)。小型固定式质子交换膜燃料电池系统的技术和经济可行性已在一些商业应用中得到证明,小型固定质子交换膜燃料电池应用包括不间断电源(UPS)和住宅热电联产系统。

总体而言,小规模质子交换膜燃料电池具有在便携式领域使用的潜力,然而,锂离子电池的竞争力和性能提升导致近年来便携式燃料电池的销量大幅下降。下图显示了便携式质子交换膜燃料电池应用的简要历史摘要。与传统的电池系统相比,小规模的质子交换膜燃料电池仍然具有某些关键的优势(例如,更长的持续时间、高能量密度、对极端环境的适应能力和离网发电),具有作为便携式电源的潜力。根据功率需求,便携式应用通常需要大约5-500W,一些特殊应用需要高达KW级别。目前便携式质子交换膜燃料电池的市场主要集中在便携式离网电源和军事应用上。

04重要结论
1、小型质子交换膜燃料电池具有寿命长、比能量高等优点,在交通领域具有巨大的应用前景。但由于要求更快的暂态响应、更高的功率密度和更长的耐用性,温和的混合架构或质子交换膜燃料电池射程扩展器更适合于小型交通应用;
2、此外,小规模的质子交换膜燃料电池还被用于不间断电源和住宅热电联产系统的固定应用。为了满足这一应用领域的需求,电力系统必须可靠、耐用和负担得起,为此质子交换膜燃料电池可以用作可再生能源的后备电源,并可以解决燃料灵活性和可靠性问题。在便携式领域,尽管锂离子电池系统几乎主导了便携式应用市场,但小型质子交换膜燃料电池由于其持续时间长、能量密度高和适应性强的特点,在便携式离网(室外)发电领域还有额外的好处;
3、虽然已经进行了一些开创性的研究来促进小型质子交换膜燃料电池的应用,但仍需要取得相当大的进展才能满足实际应用的要求。展望未来,预计该领域未来的研究挑战将主要与优化燃料电池材料和系统设计以获得高比功率燃料电池系统相关。高比功率燃料电池系统由高功率质子交换膜燃料电池和轻量化组件组成,新颖的电池材料设计对于实现先进的高性能质子交换膜燃料电池技术具有重要意义。质子交换膜燃料电池系统的轻量化设计可以通过采用高性能轻质材料或优化结构设计以获得更高的可靠性。此外,考虑到质子交换膜燃料电池对电力需求的缓慢响应,轻型混合电源可能是一种很有前途的解决方案;
4、最后,一个储氢密度高、氢释放和充电速度快、可逆性强、安全性提高的储氢系统对于提高小型质子交换膜燃料电池系统的整体器件级能量密度至关重要。为此,对于小规模的质子交换膜燃料电池应用,尤其是在空间和重量是重要考虑因素的应用中,大容量的压缩气体储罐不太可取。相反,用于小规模质子交换膜燃料电池应用的长期氢存储系统可以基于诸如复杂氢化物和具有高体积密度的金属存储系统之类的材料。
通讯作者简介:

焦魁,天津大学教授,中国内燃机学会燃料电池发动机分会副主任委员,英国皇家化学学会会士。长期从事燃料电池领域的教学和科研工作,发表期刊论文200余篇,授权发明专利和软件著作权30余项,主持国家优秀青年基金、重点研发计划课题等项目30余项。开发了具有完整自主知识产权的燃料电池仿真平台,应用于上汽等10余家企业,支撑了10余款燃料电池发动机和整车的正向研发。担任“Energy and AI”与“International Journal of Green Energy”国际学术期刊副主编,"IEEE Transactions on Transportation Electrification”, “Applied Energy”, “Scientific Reports” 等期刊编委。

引用信息:
Zixuan Wang, Zhi Liu, Linhao Fan, Qing Du, Kui Jiao, "Application progress of small-scale proton exchange membrane fuel cell", Energy Reviews, 2, 2023,100017. https://doi.org/10.1016/j.enrev.2023.100017.
Energy Reviews
简介
《Energy Reviews》是由深圳大学主办,联合 Elsevier出版集团创办的一本国际性、跨学科、高质量开放获取 (Open Access) 学术期刊,由谢和平院士担任创刊主编,美国工程院Derek Elsworth院士、中国科学院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大学倪萌教授担任联合主编。发表能源领域前沿方向、最新进展、发展趋势、权威观点等高质量学术文章,构建全球能源一流成果和一流学者的合作交流平台,向公众传播有影响力的能源领域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理论、新方法和新技术; 能源研究的多学科(材料、物理、化学、生物等)交叉融合探索技术; 化石能源低碳利用与CCUS; 氢能、可再生能源与储能先进技术; 新型能源转换方式探索与应用; 能源领域现代信息技术(人工智能,大数据)等相关方向的优质稿件。

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