基于熱水溫度的家庭PEMFC-CHP系統(tǒng)運(yùn)行策略研究

李曉嫣，陳維榮，劉志祥，戴朝華，陳前宇

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031；2.國(guó)網(wǎng)福建石獅市供電有限公司，福建泉州362700)

基于熱水溫度的家庭PEMFC-CHP系統(tǒng)運(yùn)行策略研究

李曉嫣1,2，陳維榮1，劉志祥1，戴朝華1，陳前宇1

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031；2.國(guó)網(wǎng)福建石獅市供電有限公司，福建泉州362700)

微型燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)作為一種清潔的家用發(fā)電設(shè)備，在供應(yīng)家庭用電的同時(shí)，可以提供家用生活熱水，具有很高的綜合能源利用效率，因此受到世界各國(guó)的高度重視。開(kāi)展熱電聯(lián)供(CHP)系統(tǒng)的模型研究，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的構(gòu)建具有較高的參考價(jià)值。在Matlab/Simulink平臺(tái)上搭建了家用質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)(PEMFC-CHP)模型，針對(duì)該系統(tǒng)中水冷式燃料電池的散熱特性直接受用戶(hù)側(cè)熱水器水溫影響的特點(diǎn)，提出了一種基于熱水溫度的熱電聯(lián)供運(yùn)行方案。采用該方案，以滿(mǎn)足熱需求為目標(biāo)，通過(guò)參考模擬家庭用戶(hù)一天的用電及用熱工況，分析了該系統(tǒng)在可變負(fù)載下的動(dòng)態(tài)性能，計(jì)算了系統(tǒng)發(fā)電上網(wǎng)的凈電量。仿真結(jié)果表明，采用該方案不僅可以達(dá)到滿(mǎn)足居民日常熱需求的目標(biāo)，同時(shí)可以滿(mǎn)足部分電需求，節(jié)省能耗。

熱電聯(lián)供；質(zhì)子交換膜燃料電池；熱管理

與傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比，基于燃料電池的熱電聯(lián)供(CHP)系統(tǒng)具有較高的綜合效率、良好的部分負(fù)荷特性以及零污染排放等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)受到了高度重視[1]。熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行方案對(duì)系統(tǒng)的性能及效率有著重要影響。已有的CHP系統(tǒng)運(yùn)行策略主要有熱跟隨策略與電跟隨策略[2]。對(duì)于熱跟隨策略，大部分文獻(xiàn)僅從熱功率的角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明，而未反映熱水器的實(shí)時(shí)溫度[3-4]。然而，熱電聯(lián)供系統(tǒng)的關(guān)鍵是利用燃料電池發(fā)電時(shí)提供的廢熱，系統(tǒng)中水箱的溫度與燃料電池的工作狀態(tài)密切相關(guān)。針對(duì)以上問(wèn)題，本文在質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)熱管理方案的設(shè)計(jì)中考慮到熱水溫度對(duì)PEMFC熱管理系統(tǒng)的影響，提出了一種根據(jù)進(jìn)入電堆的冷卻水水溫實(shí)時(shí)控制燃料電池系統(tǒng)輸出功率的控制策略，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)仿真。仿真時(shí)以1.3 kW-PEMFC電堆為研究對(duì)象，以滿(mǎn)足熱負(fù)荷需求為基本目標(biāo)，通過(guò)參考一個(gè)家庭一天中的用熱及用電情況運(yùn)行該系統(tǒng)，同時(shí)計(jì)算了一天內(nèi)饋入電網(wǎng)的凈電量。

1 PEMFC-CHP系統(tǒng)模型

1.1 燃料電池模型

質(zhì)子交換膜燃料電池模型包括燃料電池電壓、功率等動(dòng)態(tài)模型，具體模型方程參見(jiàn)本課題組前期研究結(jié)果[5-6]。

1.2 PEMFC電堆溫度管理

1.2.1 電堆入口流體參數(shù)

設(shè)氣體入口溫度為in，系統(tǒng)過(guò)量系數(shù)為，加濕度

=100%，氧氣在空氣中的體積分?jǐn)?shù)為0.21，則入口空氣的質(zhì)量流量為：

入口加濕用水的質(zhì)量流量為：

式中：定義為氣體的濕度參數(shù)，表示為：1.2.2電堆出口流體參數(shù)

電堆出口的氧氣與氮?dú)獾馁|(zhì)量流量分別為：

電堆出口的水有電堆入口加濕水和反應(yīng)生成的水兩種來(lái)源，電堆出口飽和蒸氣的質(zhì)量流量為：

反應(yīng)氣體的對(duì)流換熱量為：

式中：min{v,in,v,out,sat}是兩者中的最小值，表示水蒸氣帶走的熱量。

1.2.3 系統(tǒng)熱量平衡方程

根據(jù)能量守恒定律，忽略水的相變熱，燃料電池系統(tǒng)滿(mǎn)足以下瞬間平衡狀態(tài)方程[7]：式中：st為電堆吸收熱量，J；st為電堆的總質(zhì)量，kg；p,st為電堆的平均比熱，J/(kg·K)；st為電堆溫度，K；tot為化學(xué)反應(yīng)中釋放的總功率，W；elec為負(fù)載消耗的功率，W；recovery為冷卻系統(tǒng)回收熱量，loss為電堆熱量損失，gas為反應(yīng)氣體對(duì)流帶走的熱量，J。

單電池的理想電動(dòng)勢(shì)為1.481 V，因此反應(yīng)釋放的總功率為：假設(shè)電堆工作在絕熱環(huán)境中，則：

假設(shè)冷卻水入口溫度為in，出口溫度為out，冷卻水從電堆帶走的熱量為[8]：由此計(jì)算得PEMFC的回收熱量結(jié)果如圖1所示。

1.3 熱水存儲(chǔ)器模型

設(shè)定熱水器的容量為60 L，根據(jù)能量守恒定律，熱水溫度變化可以表示為：

式中：ht為熱水的質(zhì)量；p,ht為熱水器平均比熱；loss為水箱散熱導(dǎo)致的熱損失，取決于水箱和環(huán)境的溫差以及水箱的物理因素，按經(jīng)驗(yàn)公式表示為：

圖1 燃料電池回收熱量計(jì)算

2 CHP系統(tǒng)熱管理方案研究

2.1 熱管理方案

熱管理過(guò)程采用冷卻水循環(huán)吸收電堆內(nèi)產(chǎn)生的熱量，如圖2所示，冷卻水通過(guò)換熱器給儲(chǔ)水箱供熱，假設(shè)冷卻水離開(kāi)換熱器出口的溫度與水箱水溫ht一致，則冷卻水通過(guò)不斷重復(fù)由電堆吸熱升溫到進(jìn)入水箱換熱降溫的過(guò)程來(lái)達(dá)到回收熱量的目的。

圖2 燃料電池?zé)峁芾硎疽鈭D

根據(jù)Ferguson的假設(shè)，只要冷卻水和電堆之間滿(mǎn)足最小溫差△min(這里假設(shè)最小溫差為10 K，電堆工作溫度恒為343 K)，冷卻水就可以帶走電堆的全部熱量。假設(shè)冷卻水出口溫度out與電堆溫度一致，則冷卻水能從電堆帶走的最大熱量為：

式中：cw為冷卻水的質(zhì)量流量，kg/s；p,cw為冷卻水的比熱容，J/(kg·K)；cw,in為冷卻水入口質(zhì)量流量。

根據(jù)公式(13)，當(dāng)冷卻水與電堆的溫度不滿(mǎn)足最小溫差時(shí)，由于冷卻水最大流量的限制，冷卻水無(wú)法帶走電堆產(chǎn)生的全部熱量，通常的散熱方式是采用輔助散熱器，然而輔助散熱器的增加不僅提高了成本，還浪費(fèi)了電堆產(chǎn)生的熱量。為此，本文提出一種以熱量為核心的熱電聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行方式，該方案采用基于冷卻水與電堆溫差的熱管理策略，不僅可以滿(mǎn)足日常用熱的要求，又能實(shí)現(xiàn)電堆熱量的完全回收。該策略分4種情況執(zhí)行不同的任務(wù)，如式(14)，即：

(1)當(dāng)熱水溫度低于333 K時(shí)，燃料電池以額定功率運(yùn)行，對(duì)水進(jìn)行加熱；

(2)加熱過(guò)程中，當(dāng)熱水溫度與電堆溫差小于最小溫差(10 K)時(shí)，降低燃料電池系統(tǒng)輸出功率以減小燃料電池的熱輸出，如圖3；

(3)當(dāng)熱水溫度高于343 K時(shí)，燃料電池停止運(yùn)行；

(4)燃料電池停止運(yùn)行后，熱水由于與環(huán)境的熱傳遞或者用戶(hù)用水而導(dǎo)致降溫，當(dāng)熱水溫度低于333 K時(shí)，重新啟動(dòng)燃料電池，重復(fù)過(guò)程(1)。

圖3 加熱過(guò)程熱管理方案

2.2 方案模擬

以某個(gè)時(shí)間段(6 h)內(nèi)的系統(tǒng)運(yùn)行情況為例詳細(xì)說(shuō)明該熱管理方案的運(yùn)行過(guò)程，如圖4所示，系統(tǒng)在第2 h的某段時(shí)間有4 kW的功率需求。假設(shè)熱水的初始溫度為313 K，則熱水器運(yùn)行有5個(gè)過(guò)程：

(1)0-A：系統(tǒng)以最大功率輸出對(duì)熱水加熱；

(2)A-B：溫度高于333 K，調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出，緩慢加熱；

(3)B-C：由于有熱負(fù)荷的需求，熱水溫度以較快的速度下降；

(4)C-D：由于熱水器與環(huán)境之間存在散熱，熱水緩慢降溫直到333 K；

(5)D-E：重復(fù)A-B段加熱過(guò)程，直到升溫至343 K，系統(tǒng)停止運(yùn)行。

圖4 熱管理方案模擬

3 系統(tǒng)運(yùn)行

本文模擬了一個(gè)家庭一天的電熱需求的工況，如圖5所示。采用上述運(yùn)行策略，產(chǎn)生的電能供給用戶(hù)，多余的并入電網(wǎng)中，最后以饋入電網(wǎng)的電量為正，從電網(wǎng)輸出的電量為負(fù)計(jì)算了系統(tǒng)一天饋入電網(wǎng)的凈電量[9]。

圖5某家庭一天電熱需求工況模擬

圖6 表示熱水溫度的變化，對(duì)于有熱水需求的時(shí)刻，由于燃料電池的功率等級(jí)限制，燃料輸出熱量遠(yuǎn)小于用戶(hù)熱量需求，此時(shí)水溫會(huì)發(fā)生較大波動(dòng)，但在一天的運(yùn)行中，水溫能夠保持在313 K以上(即人體最佳沐浴溫度)，滿(mǎn)足用戶(hù)的用熱需求。同時(shí)，家庭與電網(wǎng)間進(jìn)行電能的傳輸，如圖7所示，電量為正表示熱電聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電上網(wǎng)，為負(fù)則表示電網(wǎng)補(bǔ)充家庭用電的不足。該系統(tǒng)一天內(nèi)產(chǎn)生的電能為10.6 kWh，產(chǎn)生的熱能為14 kWh。

圖6 熱水器水溫變化

圖7 家庭與電網(wǎng)之間的電量傳輸

4 結(jié)論

通過(guò)PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的模擬仿真可以看出，采用基于冷卻水與電堆溫差的熱管理方案對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行熱管理，不僅可以保障用戶(hù)的日常生活用水需求，還可以補(bǔ)充日常生活用電；同時(shí)將多余的電能饋入電網(wǎng)，可以達(dá)到為家庭增收的目的。該方案的提出對(duì)于實(shí)際熱電聯(lián)供方案的研究提供了參考，具有理論和實(shí)際意義。

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Study of PEMFC-CHP system based on hot-water temperature for residential applications

LI Xiao-yan1,2,CHEN Wei-rong1,LIU Zhi-xiang1,DAI Chao-hua1,CHEN Qian-yu1

As a clean electricity generation system for residential applications,hot water was provided by a micro fuel cell based combined heat and power(CHP)system.Very high gross energy utilization efficiency was owned bu it,and great attentions of many countries were attracted.A real system was constructed based on the model of a CHP system.A model of a PEMFC-CHP system for residential application was built in Matlab/Simulink and a thermal management method focused on heat was proposed for system operation.With this method,the behavior of the CHP system under variable load was investigated according to reference electrical and thermal load curves with a thermal load satisfying target,at the same time the net power that sent to the grid was calculated.Simulation results indicate that this system is able to meet the thermal demand and partial power demands for daily using by adopting this method.

CHP;PEMFC;heat management

TM 911.4

A

1002-087 X(2015)03-0491-03

2014-08-12

國(guó)家自然科學(xué)基金(51177138)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金(20100184110015，20120184120011)；鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃(2012J012-D)；四川省國(guó)際科技合作與交流研究計(jì)劃(2012HH0007)

李曉嫣(1989—)，女，福建省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉醇夹g(shù)及應(yīng)用。