文章題目：Application progress of small-scale proton exchange membrane fuel cell

關(guān)鍵詞：Small-scale proton exchange membrane fuel cell,?Transportation,??Stationary, Portable?Applications

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970223000044

????近日，天津大學(xué)焦魁教授團隊在Energy Reviews發(fā)表文章“Application progress of small-scale proton exchange membrane fuel cell”, 該文章詳細討論了小型質(zhì)子交換膜燃料電池在運輸、固定和便攜式發(fā)電機領(lǐng)域的前沿發(fā)展；具體而言，文章對當(dāng)前小規(guī)模質(zhì)子交換膜燃料電池研究的文獻進行了分析，并探討了不同應(yīng)用場景下質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)操作的復(fù)雜性；最后，文章針對小規(guī)模、高比功率質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)提出了前瞻性觀點和策略。

01?內(nèi)容簡介

????1.?Introduction?（前言）

????2.?Transportation applications（交通應(yīng)用）

????????2.1.?Unmanned aerial vehicles（無人駕駛飛行器）

????????2.2.?Underwater vehicles（水下航行器）

????????2.3.?Light traction vehicles（輕型牽引車）

????3.?Stationary applications（固定式應(yīng)用）

????????3.1.?Uninterrupted power supply（不間斷電源）??

????????3.2.?Residential cogeneration systems（住宅熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)）

????4.?Portable applications（便攜式應(yīng)用）

????5.?Conclusion and outlook（結(jié)論和展望）

02?內(nèi)容亮點
1、系統(tǒng)分析了小規(guī)模質(zhì)子交換膜燃料電池的前沿應(yīng)用進展，并強調(diào)了質(zhì)子交換膜燃料電池在小型儲電方面的新機遇；

2、探討了小型質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)在不同應(yīng)用場景下的操作復(fù)雜性及其關(guān)鍵性技術(shù)；

3、提出了推進基于質(zhì)子交換膜燃料電池的小規(guī)模應(yīng)用研究和開發(fā)的前瞻性觀點和策略。

03?內(nèi)容導(dǎo)讀

????質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種很有前途的電化學(xué)電源，它通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。下圖比較了幾種類型的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和存儲技術(shù)，如超級電容器(SC)、鉛酸、鎳金屬氫化物(Ni-MH)電池、固態(tài)電池(SSB)、鋰離子(Li-ion)電池、鋰硫(Li-S)電池、鋅-空氣電池和質(zhì)子交換膜燃料電池。在這些技術(shù)中，質(zhì)子交換膜燃料電池因其高比能量(1000WH kg?1)、低污染排放和低工作溫度的優(yōu)勢在過去十年中引起了研究界的極大興趣。這種高比能量源于使用高比能量儲存的氫氣作為燃料，以及質(zhì)子交換膜燃料電池的高能量轉(zhuǎn)換效率(～60%)。此外，質(zhì)子交換膜燃料電池的低工作溫度和環(huán)境友好性使其對小規(guī)模應(yīng)用市場具有極大的吸引力。

????小規(guī)模固定發(fā)電是指將電力小規(guī)模地分配給附近用戶，并能夠獨立輸出電能的系統(tǒng)。目前，常規(guī)能源技術(shù)(如ICE發(fā)電技術(shù))和可再生能源技術(shù)(如太陽能、風(fēng)能和地?zé)岚l(fā)電技術(shù))是小規(guī)模固定發(fā)電的主要技術(shù)。然而，常規(guī)能源造成的環(huán)境污染和可再生能源不可避免的間歇性是主要的技術(shù)障礙；為此，與固定應(yīng)用中使用的當(dāng)前技術(shù)相比，小規(guī)模質(zhì)子交換膜燃料電池已被證明具有許多優(yōu)點(例如，快速啟動、零排放、更高的發(fā)電效率、低噪音水平和緊湊性)。小型固定式質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的技術(shù)和經(jīng)濟可行性已在一些商業(yè)應(yīng)用中得到證明，小型固定質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用包括不間斷電源(UPS)和住宅熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

????總體而言，小規(guī)模質(zhì)子交換膜燃料電池具有在便攜式領(lǐng)域使用的潛力，然而，鋰離子電池的競爭力和性能提升導(dǎo)致近年來便攜式燃料電池的銷量大幅下降。下圖顯示了便攜式質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用的簡要歷史摘要。與傳統(tǒng)的電池系統(tǒng)相比，小規(guī)模的質(zhì)子交換膜燃料電池仍然具有某些關(guān)鍵的優(yōu)勢(例如，更長的持續(xù)時間、高能量密度、對極端環(huán)境的適應(yīng)能力和離網(wǎng)發(fā)電)，具有作為便攜式電源的潛力。根據(jù)功率需求，便攜式應(yīng)用通常需要大約5-500W，一些特殊應(yīng)用需要高達KW級別。目前便攜式質(zhì)子交換膜燃料電池的市場主要集中在便攜式離網(wǎng)電源和軍事應(yīng)用上。

04重要結(jié)論

????1、小型質(zhì)子交換膜燃料電池具有壽命長、比能量高等優(yōu)點，在交通領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。但由于要求更快的暫態(tài)響應(yīng)、更高的功率密度和更長的耐用性，溫和的混合架構(gòu)或質(zhì)子交換膜燃料電池射程擴展器更適合于小型交通應(yīng)用；

????2、此外，小規(guī)模的質(zhì)子交換膜燃料電池還被用于不間斷電源和住宅熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的固定應(yīng)用。為了滿足這一應(yīng)用領(lǐng)域的需求，電力系統(tǒng)必須可靠、耐用和負擔(dān)得起，為此質(zhì)子交換膜燃料電池可以用作可再生能源的后備電源，并可以解決燃料靈活性和可靠性問題。在便攜式領(lǐng)域，盡管鋰離子電池系統(tǒng)幾乎主導(dǎo)了便攜式應(yīng)用市場，但小型質(zhì)子交換膜燃料電池由于其持續(xù)時間長、能量密度高和適應(yīng)性強的特點，在便攜式離網(wǎng)(室外)發(fā)電領(lǐng)域還有額外的好處；

????3、雖然已經(jīng)進行了一些開創(chuàng)性的研究來促進小型質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用，但仍需要取得相當(dāng)大的進展才能滿足實際應(yīng)用的要求。展望未來，預(yù)計該領(lǐng)域未來的研究挑戰(zhàn)將主要與優(yōu)化燃料電池材料和系統(tǒng)設(shè)計以獲得高比功率燃料電池系統(tǒng)相關(guān)。高比功率燃料電池系統(tǒng)由高功率質(zhì)子交換膜燃料電池和輕量化組件組成，新穎的電池材料設(shè)計對于實現(xiàn)先進的高性能質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)具有重要意義。質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的輕量化設(shè)計可以通過采用高性能輕質(zhì)材料或優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計以獲得更高的可靠性。此外，考慮到質(zhì)子交換膜燃料電池對電力需求的緩慢響應(yīng)，輕型混合電源可能是一種很有前途的解決方案；

????4、最后，一個儲氫密度高、氫釋放和充電速度快、可逆性強、安全性提高的儲氫系統(tǒng)對于提高小型質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的整體器件級能量密度至關(guān)重要。為此，對于小規(guī)模的質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用，尤其是在空間和重量是重要考慮因素的應(yīng)用中，大容量的壓縮氣體儲罐不太可取。相反，用于小規(guī)模質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用的長期氫存儲系統(tǒng)可以基于諸如復(fù)雜氫化物和具有高體積密度的金屬存儲系統(tǒng)之類的材料。

通訊作者簡介：

焦魁，天津大學(xué)教授，中國內(nèi)燃機學(xué)會燃料電池發(fā)動機分會副主任委員，英國皇家化學(xué)學(xué)會會士。長期從事燃料電池領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作，發(fā)表期刊論文200余篇，授權(quán)發(fā)明專利和軟件著作權(quán)30余項，主持國家優(yōu)秀青年基金、重點研發(fā)計劃課題等項目30余項。開發(fā)了具有完整自主知識產(chǎn)權(quán)的燃料電池仿真平臺，應(yīng)用于上汽等10余家企業(yè)，支撐了10余款燃料電池發(fā)動機和整車的正向研發(fā)。擔(dān)任“Energy and AI”與“International Journal of Green Energy”國際學(xué)術(shù)期刊副主編，"IEEE Transactions on Transportation Electrification”, “Applied Energy”, “Scientific Reports” 等期刊編委。

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

簡介

????《Energy Reviews》是由深圳大學(xué)主辦，聯(lián)合 Elsevier出版集團創(chuàng)辦的一本國際性、跨學(xué)科、高質(zhì)量開放獲取?(Open Access)?學(xué)術(shù)期刊，由謝和平院士擔(dān)任創(chuàng)刊主編，美國工程院Derek Elsworth院士、中國科學(xué)院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大學(xué)倪萌教授擔(dān)任聯(lián)合主編。發(fā)表能源領(lǐng)域前沿方向、最新進展、發(fā)展趨勢、權(quán)威觀點等高質(zhì)量學(xué)術(shù)文章，構(gòu)建全球能源一流成果和一流學(xué)者的合作交流平臺，向公眾傳播有影響力的能源領(lǐng)域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理論、新方法和新技術(shù);?能源研究的多學(xué)科（材料、物理、化學(xué)、生物等）交叉融合探索技術(shù);?化石能源低碳利用與CCUS;?氫能、可再生能源與儲能先進技術(shù);?新型能源轉(zhuǎn)換方式探索與應(yīng)用;??能源領(lǐng)域現(xiàn)代信息技術(shù)（人工智能，大數(shù)據(jù)）等相關(guān)方向的優(yōu)質(zhì)稿件。

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