基于熱水溫度的家庭PEMFC-CHP系統運行策略研究

李曉嫣，陳維榮，劉志祥，戴朝華，陳前宇

(1.西南交通大學電氣工程學院，四川成都610031；2.國網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系統運行策略研究

李曉嫣1,2，陳維榮1，劉志祥1，戴朝華1，陳前宇1

(1.西南交通大學電氣工程學院，四川成都610031；2.國網福建石獅市供電有限公司，福建泉州362700)

微型燃料電池熱電聯供系統作為一種清潔的家用發電設備，在供應家庭用電的同時，可以提供家用生活熱水，具有很高的綜合能源利用效率，因此受到世界各國的高度重視。開展熱電聯供(CHP)系統的模型研究，對實際系統的構建具有較高的參考價值。在Matlab/Simulink平臺上搭建了家用質子交換膜燃料電池熱電聯供系統(PEMFC-CHP)模型，針對該系統中水冷式燃料電池的散熱特性直接受用戶側熱水器水溫影響的特點，提出了一種基于熱水溫度的熱電聯供運行方案。采用該方案，以滿足熱需求為目標，通過參考模擬家庭用戶一天的用電及用熱工況，分析了該系統在可變負載下的動態性能，計算了系統發電上網的凈電量。仿真結果表明，采用該方案不僅可以達到滿足居民日常熱需求的目標，同時可以滿足部分電需求，節省能耗。

熱電聯供；質子交換膜燃料電池；熱管理

與傳統熱電聯產系統相比，基于燃料電池的熱電聯供(CHP)系統具有較高的綜合效率、良好的部分負荷特性以及零污染排放等優勢，近年來受到了高度重視[1]。熱電聯供系統的運行方案對系統的性能及效率有著重要影響。已有的CHP系統運行策略主要有熱跟隨策略與電跟隨策略[2]。對于熱跟隨策略，大部分文獻僅從熱功率的角度對系統進行說明，而未反映熱水器的實時溫度[3-4]。然而，熱電聯供系統的關鍵是利用燃料電池發電時提供的廢熱，系統中水箱的溫度與燃料電池的工作狀態密切相關。針對以上問題，本文在質子交換膜燃料電池熱電聯供系統熱管理方案的設計中考慮到熱水溫度對PEMFC熱管理系統的影響，提出了一種根據進入電堆的冷卻水水溫實時控制燃料電池系統輸出功率的控制策略，實現了系統仿真。仿真時以1.3 kW-PEMFC電堆為研究對象，以滿足熱負荷需求為基本目標，通過參考一個家庭一天中的用熱及用電情況運行該系統，同時計算了一天內饋入電網的凈電量。

1 PEMFC-CHP系統模型

1.1 燃料電池模型

質子交換膜燃料電池模型包括燃料電池電壓、功率等動態模型，具體模型方程參見本課題組前期研究結果[5-6]。

1.2 PEMFC電堆溫度管理

1.2.1 電堆入口流體參數

設氣體入口溫度為in，系統過量系數為，加濕度

=100%，氧氣在空氣中的體積分數為0.21，則入口空氣的質量流量為：

入口加濕用水的質量流量為：

式中：定義為氣體的濕度參數，表示為：1.2.2電堆出口流體參數

電堆出口的氧氣與氮氣的質量流量分別為：

電堆出口的水有電堆入口加濕水和反應生成的水兩種來源，電堆出口飽和蒸氣的質量流量為：

反應氣體的對流換熱量為：

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 系統熱量平衡方程

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

單電池的理想電動勢為1.481 V，因此反應釋放的總功率為：假設電堆工作在絕熱環境中，則：

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

1.3 熱水存儲器模型

設定熱水器的容量為60 L，根據能量守恒定律，熱水溫度變化可以表示為：

式中：ht為熱水的質量；p,ht為熱水器平均比熱；loss為水箱散熱導致的熱損失，取決于水箱和環境的溫差以及水箱的物理因素，按經驗公式表示為：

圖1 燃料電池回收熱量計算

2 CHP系統熱管理方案研究

2.1 熱管理方案

熱管理過程采用冷卻水循環吸收電堆內產生的熱量，如圖2所示，冷卻水通過換熱器給儲水箱供熱，假設冷卻水離開換熱器出口的溫度與水箱水溫ht一致，則冷卻水通過不斷重復由電堆吸熱升溫到進入水箱換熱降溫的過程來達到回收熱量的目的。

圖2 燃料電池熱管理示意圖

根據Ferguson的假設，只要冷卻水和電堆之間滿足最小溫差△min(這里假設最小溫差為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為冷卻水入口質量流量。

根據公式(13)，當冷卻水與電堆的溫度不滿足最小溫差時，由于冷卻水最大流量的限制，冷卻水無法帶走電堆產生的全部熱量，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，還浪費了電堆產生的熱量。為此，本文提出一種以熱量為核心的熱電聯供系統運行方式，該方案采用基于冷卻水與電堆溫差的熱管理策略，不僅可以滿足日常用熱的要求，又能實現電堆熱量的完全回收。該策略分4種情況執行不同的任務，如式(14)，即：

(1)當熱水溫度低于333 K時，燃料電池以額定功率運行，對水進行加熱；

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

(3)當熱水溫度高于343 K時，燃料電池停止運行；

(4)燃料電池停止運行后，熱水由于與環境的熱傳遞或者用戶用水而導致降溫，當熱水溫度低于333 K時，重新啟動燃料電池，重復過程(1)。

圖3 加熱過程熱管理方案

2.2 方案模擬

以某個時間段(6 h)內的系統運行情況為例詳細說明該熱管理方案的運行過程，如圖4所示，系統在第2 h的某段時間有4 kW的功率需求。假設熱水的初始溫度為313 K，則熱水器運行有5個過程：

(1)0-A：系統以最大功率輸出對熱水加熱；

(2)A-B：溫度高于333 K，調節系統輸出，緩慢加熱；

(3)B-C：由于有熱負荷的需求，熱水溫度以較快的速度下降；

(4)C-D：由于熱水器與環境之間存在散熱，熱水緩慢降溫直到333 K；

(5)D-E：重復A-B段加熱過程，直到升溫至343 K，系統停止運行。

圖4 熱管理方案模擬

3 系統運行

本文模擬了一個家庭一天的電熱需求的工況，如圖5所示。采用上述運行策略，產生的電能供給用戶，多余的并入電網中，最后以饋入電網的電量為正，從電網輸出的電量為負計算了系統一天饋入電網的凈電量[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，對于有熱水需求的時刻，由于燃料電池的功率等級限制，燃料輸出熱量遠小于用戶熱量需求，此時水溫會發生較大波動，但在一天的運行中，水溫能夠保持在313 K以上(即人體最佳沐浴溫度)，滿足用戶的用熱需求。同時，家庭與電網間進行電能的傳輸，如圖7所示，電量為正表示熱電聯供系統發電上網，為負則表示電網補充家庭用電的不足。該系統一天內產生的電能為10.6 kWh，產生的熱能為14 kWh。

圖6 熱水器水溫變化

圖7 家庭與電網之間的電量傳輸

4 結論

通過PEMFC熱電聯供系統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該系統進行熱管理，不僅可以保障用戶的日常生活用水需求，還可以補充日常生活用電；同時將多余的電能饋入電網，可以達到為家庭增收的目的。該方案的提出對于實際熱電聯供方案的研究提供了參考，具有理論和實際意義。

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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

國家自然科學基金(51177138)；高等學校博士學科點專項科研基金(20100184110015，20120184120011)；鐵道部科技研究開發計劃(2012J012-D)；四川省國際科技合作與交流研究計劃(2012HH0007)

李曉嫣(1989—)，女，福建省人，碩士研究生，主要研究方向為新能源技術及應用。