基于文献计量的全球氢燃料电池技术竞争态势分析

在全球气候变暖和能源供给日益紧张的背景下,氢燃料电池因其绿色高效的优势受到各国的关注。该文梳理和分析了主要国家/地区氢燃料电池发展战略与规划;并采用文献计量和文本挖掘技术,分析了第五代氢燃料电池——质子交换膜燃料电池的发展态势。研究结果表明:主要国家十分重视氢燃料电池技术,近年来纷纷出台政策加强战略布局和研发投入。从专利数量变化趋势和分布上看,氢燃料电池技术发展可能处于瓶颈期;日本和美国技术竞争优势明显,日本是该领域最大的技术来源国和技术市场国,且专利集中在丰田、松下电器等大型跨国企业手中,跨国企业技术垄断趋势明显;质子交换膜燃料电池技术研发热点主题主要集中在膜电极组件、辅助与控制系统等技术领域。     

质子交换膜燃料电池的研究进展

论述了质子交换膜燃料电池的开发现状及国内外研究进展；同时介绍了趋于成熟的贮氢技术，包括质子交换膜、双极板、膜电极和电催化剂在内的关键技术、应用以及未来展望。     

燃料电池的关键技术

 以燃料电池技术链为主线,叙述燃料电池关键材料与部件、电堆、系统存在的问题、发展现状与研究热点。关键材料包括催化剂、离子交换膜、气体扩散层;电堆关键部件包括膜电极组件、双极板等;系统部件包括空压机、增湿器、氢回流泵、氢瓶等。关键材料与部件的成本与耐久性是燃料电池汽车实现商业化的基础。中国燃料电池部分技术指标已经达到或超过全球同类商品的水平,需要鼓励产业大力投入,建立批量生产线,促进中国燃料电池技术进步。     

质子交换膜燃料电池的研究与应用

在能源和环境危机的今天,质子交换膜燃料电池由于其特点和优势有着更多的发展前景。文章在介绍质子交换膜燃料电池在各领域应用和发展现状的同时,也从电池材料和制造技术、成本、氢能源等几个方面进行了分析,阐述了质子交换膜燃料电池发展中面临和要解决的一系列问题。     

基于故障树模型的燃料电池安全性评价

安全性是质子交换膜燃料电池的重要指标,而燃料电池最大的安全问题是质子交换膜超压破裂造成火灾或爆炸。实验构建了5 kW氢空质子交换膜燃料电池发电系统,用故障树方法对电池堆系统发生膜破裂造成火灾或爆炸等事故进行了概率评价,质子交换膜超压破裂氢气体积分数达到4.1%发生氢气火灾或爆炸的频率是4.744×1-0 6次/a,评价结果表明这个风险是可以接受的,完全满足此实验系统安全性要求。此结果可以作为论证燃料电池系统安全性的依据之一。     

NH_3杂质对HT-PEM燃料电池性能的影响

目的研究氢燃料中存在NH3杂质时对高温质子交换膜燃料电池的影响.方法使用燃料电池测试系统测试了HT-PEM燃料电池的极化曲线和交流阻抗图谱,采用等效电路法获得了HT-PEM燃料电池的等效电路元件,并对被NH3毒化后的电池催化剂层进行了电子显微扫描,分析了氢燃料中NH3质量浓度、电池温度和使用时间对HT-PEM燃料电池性能的影响.结果氢燃料中NH3的存在改变了电池电极电化学反应界面的结构,阻碍了质子的传递,导致电池性能下降,并且被NH3毒化后HT-PEM燃料电池再通入纯净氢气后电池性能仍继续下降.结论氢燃料中的NH3对HT-PEM燃料电池有很强的毒化作用,主要体现在降低了电池电极电化学反应界面,同时,被NH3毒化后HT-PEM燃料电池性能很难恢复,这种损害是不可逆的.     

氢燃料汽车研发获重大突破燃料电池有了“心脏”

近日，由武汉理工大学课题组研究的氢燃料汽车膜电极组件获重大突破。膜电极组件被形象地称为燃料电池的“心脏”，是氢燃料电池上最为关键的部分，可促使氢氧发生化学反应产生电能。从2000年开始，在科技部和湖北省科技部门支持下，武汉理工大学课题组经过近7年的研究，终于率先在国内研发成功该组件，并获得国家发明专利。[第一段]     

基于先进车辆模拟器的小功率氢电混合电动车混合度的仿真研究

为了同时满足小功率燃料电池氢电混合动力场地车的动力性和经济性要求．研究了燃料电池和蓄电池的功率匹配最优化问题．对氢氧质子交换膜燃料电池～铅酸蓄电池混合动力场地车动力系统的主要组成部件进行选型．采用先进车辆模拟器（advanced vehicle simulator,ADVISOR）。在FTP和ECE_EUDC工况下对若干组燃料电池一铅酸蓄电池的匹配方案进行仿真分析．以满足车辆动力性为基本前提．对比分析每种匹配方案的燃料经济性．得到燃料电池氢电混合动力场地车燃料电池和蓄电池的最佳功率匹配方案：燃料电池功率为23kW．蓄电池功率为13kW．     

质子交换膜燃料电池变载过程动态响应分析

为了研究质子交换膜燃料电池变载过程中气体传输对动态响应的影响,建立了5流道蛇形流场质子交换膜燃料电池三维单相模型,并基于实际参数进行Fluent仿真.分析了运行参数(包括工作压力、进气增湿、化学计量比)对质子交换膜燃料电池稳态性能的影响,以及运行参数对质子交换膜燃料电池动态性能的影响.结果表明:工作压力高、阳极湿度大、化学计量比大能提高燃料电池稳态性能,小电流密度下阴极湿度大燃料电池稳态性能好,大电流密度下则相反;工作压力高、化学计量比大、阴极湿度大能提高燃料电池动态性能.     

微型平面6-cell组合再生式燃料电池电源的制作与性能

首次设计并制作了一种微型平面6-cell组合的质子交换膜再生式燃料电池(PEM-URFC)电源系统. 该微型电源由一片含多个膜电极单元的质子交换膜做为电解和发电的双功能膜电极组件,一个装有储氢材料和电解用水的底盒做为氢气储放和给水装置,通过带有气流孔的底板、碳极板及顶板紧密压合而成. 在电解模式时,该电源系统将水分解产生氢并通过储氢合金存储于底盒中;而在燃料电池模式时,氢再被释放出来与空气中的氧进行放电反应而产生电流. 常温常压下,该微型电源的开路电压可达4.9 V,在3.0 V的工作电压下,能维持19 mA/cm2放电约40分钟左右. 该电源系统具有良好的充放电循环能力,在10次充放电循环后, 电池性能依然能保持稳定.     

Key technologies for polymer electrolyte membrane fuel cell systems fueled impure hydrogen

Hydrogen energy and polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells become concerned issues in recent years. Nevertheless, the construction of hydrogen refueling infrastructure and hydrogen storage and transportation constrains the commercial development of fuel cells. In this review, sources, production, storage, transportation, and purification methods of hydrogen are extensively reviewed and compared. The advantages of utilizing industrial by-product hydrogen and steam reforming gas in PEM fuel cell systems are analyzed. Using industrial wasted hydrogen can significantly reduce the cost of hydrogen. Also, it is indicated that the onboard hydrogen generation by steam methanol reforming can solve the difficulties of efficient storage and transportation of gaseous hydrogen, which means that methanol has great potential to be a convenient carrier of hydrogen. The effects of impurities contained in the reformate gas are generally introduced. After the methanol steam reforming and pretreatment purification processes, the reformate gas can be fed to PEM fuel cells. Thus, a fuel cell system integrated with onboard hydrogen production and impure hydrogen treatment subsystems is introduced, and key technologies therein for pretreatment purification and in-situ poisoning mitigation methods are reviewed. Finally, suggestions are proposed for further studies.     

氢能与燃料电池关键科学技术: 挑战与前景

氢能是可持续的二次清洁能源, 产业链主要包括氢气的制取、储存、运输和应用等环节. 燃料电池是氢能利用的主要方式, 处于产业链的核心地位. 以氢能产业链为主线, 围绕氢能燃料电池产业化进展, 对制氢、储氢、加氢站、氢能燃料电池电堆及关键材料, 以及车用燃料电池系统关键部件的技术特征、产业化进展、发展现状及存在的挑战进行了概述, 尤其对中国燃料电池产业链的发展现状进行了重点介绍. 为了加速氢能与燃料电池真正意义上的产业化, 还提出了几点需要克服挑战的研发方向.     

中国氢能产业高质量发展前景

 中国氢能产业在新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情的影响下遇到了暂时困难,但随着疫情防控形势的好转而迎来新的发展机遇。通过回顾2020年中国各地出台的氢能发展政策,分析得出：政策重点主要集中于交通领域,包括氢燃料电池车技术研发、关键设备制造和加氢站建设等,而轨道交通则是未来氢燃料电池技术的发展重点之一;氢能冶金属于新的氢能产业应用领域,许多冶金企业与氢冶金先进国家进行了示范项目合作,这些示范项目的快速推进将有助于实现中国钢铁行业革命性的绿色化转型;绿氢煤化工、绿氢贸易、民用液氢等也将是氢能产业未来发展的重要方向。建议中国明确国家发展战略、积极拓展氢能技术创新领域,以打造高质量氢能产业为抓手,助推中国能源革命和产业转型升级,并在氢能全球化过程中发挥引领作用。     

均衡条件下加氢站的选址定容优化

目前氢燃料电池汽车逐渐被推广开,而燃料电池汽车充氢的加氢站十分匮乏.为了解决加氢站的选址定容问题,采用了多主体均衡优化方法,对市场均衡约束下的多位投资者投资加氢站的选址定容问题进行了研究.在研究的过程中,重点突出了为满足加氢服务长期均衡发展,投资者均是在充分分析了其他投资者可能的投资行为和氢燃料电池汽车驾驶员偏好的基础上做出的投资决策.     

基于催化燃烧辅助供热的燃料电池低温启动过程研究

提出了一种解决燃料电池系统低温启动的策略,将氢气和空气预混合气体在燃料电池外部进行催化燃烧,然后将燃烧后的尾气通入燃料电池阴极流场和水流场以加热燃料电池系统.基于此低温启动策略,搭建了低温启动试验平台,研究了反应物混合气流量、氢气体积分数等参数对燃料电池低温启动过程的影响.试验结果表明:增大反应物混合气流量或增加氢气体积分数均能缩短低温启动时间;当流量为3L.min-1,氢气体积分数为5%时,电池内部温度在540s内上升到冰点以上温度,可以初步满足低温启动的要求.     

燃料电池汽车的氢耗分析模型与应用

为便于定量分析燃料电池汽车的氢耗影响因素和整车氢耗潜力,文中基于燃料电池汽车行驶时内部的能量流动关系,首先定义平均综合传动效率并提出理论氢耗计算分析模型.通过对氢耗的多种影响因素进行分析,进一步得到理论氢耗增量模型.最后基于advi-sor自带的燃料电池汽车模型,通过理论和仿真分析量化了滚动阻力系数、传动系机械效率、电机效率、燃料电池效率对整车经济性的影响.此外,基于各影响因素未来可能达到的极限状态,通过仿真得氢耗潜力为0.6 kg/100 km.不同因素的量化分析和氢耗潜力的确定不仅对燃料电池汽车动力系统前期研发有重要指导意义,而且在实车开发期间可为部件选择和参数标定提供优化方向.     

氢能与燃料电池的研发及商业化进展

 氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源,近年来以燃料电池技术为代表的氢能开发和利用已在全球各国取得巨大进展,并开始部分实现商业化。本文在广泛调研的基础上,综述了近两年来全球范围内氢能和燃料电池研发、示范和商业化发展的现状与趋势,并提出关于中国氢能与燃料电池技术研究发展的建议。     

氢能发电及其应用前景

氢能发电系统由氢源、燃料电池和电力变换器及其控制系统组成。随着氢气制备与安全储运技术以及电能变换与控制技术的不断发展和日趋成熟，氢能发电技术即将获得广泛应用，特别是PEMFC发电系统还具有工作温度低，无烟气排放，伪装性能优良，在国防、人防和民用领域都有极高的应用价值。阐述了氢能发电系统的组成及控制系统结构，介绍了燃料电池工作原理、氢气制备方法、储运方式及金属储氢材料的安全性、电力电子变换技术以及氢能发电技术的研究发现状与应用前景。     

燃料电池汽车的氢安全问题

在燃料电池汽车试验经验的基础上,结合国内外研究进展,介绍了有关车载燃料电池氢气安全问题,包括车载氢气系统的安全措施,车载氢气系统的安全性测试与试验,车载氢气系统日常安全维护等。最后,进一步指出了促进车载氢气系统安全的措施,如从燃料电池汽车整体考虑氢安全问题以及加快和完善车载氢气系统的安全法规的建立等,以加快氢能源在中国的大规模应用化进程。     

汽车燃料的生命周期评价模型

以国际标准化组织的生命周期评价标准为依据 ,确定了汽车燃料生命周期清单分析参数和评价边界 ,提出了燃料上游阶段清单的计算逻辑 ,给出了模型的主要计算公式 .对氢燃料生命周期和汽油燃料生命周期进行了清单计算和结果比较 ,发现制氢方案是影响燃料电池车的燃料生命周期环境性能的关键 ,天然气制氢和石脑油制氢的氢能供应方案能使燃料电池车的燃料生命周期环境排放比汽油车低