張東，張瑞，張彬，安周建，雷徹

（1 蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅 蘭州 730050；2 甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補供能系統(tǒng)重點實驗室，甘肅 蘭州 730050）

在“碳達峰，碳中和”歷史背景下，我國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和清潔能源利用率的上升促使傳統(tǒng)的集中式供能系統(tǒng)逐漸向分布式能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。分布式能源系統(tǒng)是指在用戶端智能組合、利用本地資源，以用戶需求、經(jīng)濟和環(huán)境效益最優(yōu)化來確定技術(shù)路徑與容量規(guī)模，為用戶提供價格合理、清潔、可靠的冷、熱、電等能源的能源供應系統(tǒng)。同時，依托于先進信息技術(shù)以及微電網(wǎng)控制策略，分布式能源系統(tǒng)可以與電網(wǎng)進行并網(wǎng)互動，突破各設備自身局限，提高能源控制能力，建立多元化供應體系，已成為世界能源及電力領域的一個發(fā)展熱點。冷熱電聯(lián)產(chǎn)（combined cooling heating and power，CCHP）系統(tǒng)是一種典型的分布式供能系統(tǒng)，可有效提高可再生能源利用率，減少世界化石燃料資源消耗。

為促進我國能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)向低碳化轉(zhuǎn)型，大幅度降低對傳統(tǒng)化石能源的依賴，提升可再生能源等低碳能源在終端能源消費中的占比，氫氣作為一種清潔高效的二次能源載體，以其綠色、零碳、可再生等特點受到國內(nèi)外高度關注。太陽能、風能、生物質(zhì)能等均是清潔、可再生能源，分布廣泛，相比傳統(tǒng)煤炭資源，在提倡碳減排的今天具有巨大優(yōu)勢，它們的推廣符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，為我國實現(xiàn)碳達峰、碳中和，控制CO排放總量，提供了有效途徑。然而我國西北、華北等中西部地區(qū)“棄光棄風”仍然比較嚴重，國家能源局發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，2021年上半年，全國棄風電量約126.4億千瓦時，棄風率3.6%，新疆、湖南、甘肅棄風率分別為8%、2%、4%；全國棄光電量約33.2億千瓦時，棄光率2.1%，光伏消納問題較為突出的西北地區(qū)、華北地區(qū)棄光率分別為4.9%和2%?；谖覈稍偕茉促Y源分布與天然氣管網(wǎng)地理布局的稟賦，尤其是“一帶一路”戰(zhàn)略實施后高能耗行業(yè)西遷的條件，利用可再生能源發(fā)電進行電解水制氫來進行規(guī)模化儲能、氫氣管網(wǎng)遠距離輸送綠色氫氣，著力打造我國西部氫能源產(chǎn)業(yè)基地。

以氫氣為燃料的燃料電池產(chǎn)業(yè)成為近年來的發(fā)展熱點，燃料電池將燃料和氧化劑的化學能直接轉(zhuǎn)換為直流電能，是氫能轉(zhuǎn)換為電能的有效裝備和能源樞紐，其效率不受卡諾循環(huán)效率限制，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、負荷響應時間快、污染物排放低、穩(wěn)定性好、環(huán)境友好、噪聲水平低、可靠性高等顯著優(yōu)勢。國內(nèi)燃料電池在整機、電堆、雙極板、膜電極、水熱管理及控制、產(chǎn)業(yè)化應用等方面取得了顯著進步。目前，燃料電池按電解質(zhì)的不同主要分為以下5 類：質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）、磷酸燃料電池（phosphoric acid fuel cell，PAFC）、堿性燃料電池（alkaline fuel cell，AFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（molten carbonate fuel cell，MCFC）以及固體氧化物燃料電池（solid oxide fuel cell，SOFC）。PEMFC 以其高效、小型化、較低的運行溫度區(qū)間等特點成為住宅分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)秀原動機。

PEMFC 同時結(jié)合余熱高效利用、電驅(qū)動或熱驅(qū)動制冷、高效儲能、能源系統(tǒng)管理等技術(shù)，可以實現(xiàn)冷、熱、電等高效穩(wěn)定輸出，具有十分廣闊的應用前景。對近10 年質(zhì)子交換膜燃料電池冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)文獻進行檢索。由圖1可見，關于質(zhì)子交換膜燃料電池冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的公開文獻數(shù)量基本上呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，這說明世界上對相關領域的研究日益熱烈。未來，住宅燃料電池冷熱電聯(lián)產(chǎn)被認為是一種很有前途的低碳技術(shù)，可以降低住宅能耗，實現(xiàn)能量聯(lián)供與溫室氣體減排的目的。本文從基于質(zhì)子交換膜燃料電池的冷熱電聯(lián)產(chǎn)（PEMFC-CCHP）系統(tǒng)的數(shù)學建模、運行策略、能源管理、多維評價、系統(tǒng)優(yōu)化理論與應用等方面的研究進展進行了歸納總結(jié)，并提出了未來的研究方向。

圖1 近10年關于質(zhì)子交換膜燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的文獻統(tǒng)計

1 PEMFC-CCHP系統(tǒng)概述

1.1 PEMFC

PEMFC 是氫氣與氧氣反應生成水并釋放出電能的技術(shù)。單片PEMFC 主要由陽極、陰極、氣體擴散層、催化層及質(zhì)子交換膜組成。其工作原理及結(jié)構(gòu)如圖2所示，氫氣通過管道到達陽極，在催化劑作用下，氫分子解離為帶正電的氫離子并釋放出帶負電的電子；氫離子穿過質(zhì)子交換膜到達陰極，電子在外電路形成電流，向負載輸出電能后到達陰極；氧氣（或空氣）通過管道到達陰極，氧氣與氫離子及電子在陰極發(fā)生反應生成水，隨反應尾氣排出，并放出大量熱。具體的化學反應方程式如式（1）～式（3）。

圖2 PEMFC工作原理及結(jié)構(gòu)

陽極

陰極

總反應

PEMFC 分為低溫質(zhì)子交換膜燃料電池（low temperature proton exchange membrane fuel cell，LT-PEMFC）和高溫質(zhì)子交換膜燃料電池（high temperature proton exchange membrane fuel cell，HTPEMFC）。LT-PEMFC 采用全氟磺酸質(zhì)子交換膜，HT-PEMFC 的質(zhì)子交換膜材料多為磷酸/聚苯并咪唑（PBI）。LT-PEMFC具有運行溫度低、功率密度高等優(yōu)點，其工作溫度在80℃附近，產(chǎn)生的低品位熱量回收后可用于空間加熱，但存在水熱管理復雜的問題。HT-PEMFC 的優(yōu)勢主要來自于工作溫度的提高（150～180℃），尾氣廢熱具有較高的利用價值，且電池運行中不存在液態(tài)水，內(nèi)部水管理更加容易；耐CO 毒化能力大大增加，電池壽命有效提高；不需要加濕反應物，有效簡化熱回收系統(tǒng)；對氫氣質(zhì)量要求較低，使燃料處理器配置更簡單，更適用于居民住宅。因此HT-PEMFC在CCHP領域表現(xiàn)出巨大利用潛力。

1.2 PEMFC熱管理

PEMFC 中燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能是放熱反應，必須采取有效散熱措施，否則電池堆溫度將不斷升高，電解質(zhì)膜脫水、收縮甚至破裂，嚴重影響電池性能和系統(tǒng)安全。PEMFC 在運行過程中的產(chǎn)熱主要包括可逆熱、不可逆熱、焦耳熱和相變潛熱四部分。其中，可逆熱是指催化層中電化學反應產(chǎn)生的熱量，與反應物前后物質(zhì)的熵變及電化學反應速率有關；不可逆熱則指催化層中克服活化損失而產(chǎn)生的熱量；焦耳熱又稱歐姆熱，是電池中電子電流和離子電流傳導所產(chǎn)生的熱量；相變潛熱是指電池中水相變或電解質(zhì)吸放水時所釋放或吸收的熱量。如圖3 所示，PEMFC 主要有4 種熱量來源：可逆與不可逆的化學反應熱、焦耳熱、吸收環(huán)境輻射熱量以及加濕氣體帶入的熱量。其散熱途徑主要包括電堆廢氣帶走熱量、循環(huán)水熱傳遞、熱輻射和自然對流損失熱量。

圖3 PEMFC熱量流動

PEMFC余熱占電池輸入總能量的40%～60%?，F(xiàn)階段，PEMFC 電堆采用的冷卻方式主要是空氣冷卻和冷卻液循環(huán)排熱。PEMFC 在實際應用常裝配為電堆的形式，很容易出現(xiàn)各個單片電池間溫度分布不均的問題，因此設計合理的冷卻系統(tǒng)帶走多余的熱量，充分利用這部分熱能，實現(xiàn)燃料電池的熱電聯(lián)產(chǎn)，其能源綜合利用效率可達75%～95%，應用前景十分廣闊。

1.3 PEMFC-CCHP系統(tǒng)工作原理

近年來，國內(nèi)外學者在集成電池的微型熱電聯(lián)產(chǎn)的研究和開發(fā)方面進行了大量努力，特別是PEMFC在住宅分布式供能系統(tǒng)的應用上。PEMFCCCHP系統(tǒng)是燃料電池技術(shù)以及分布式能源系統(tǒng)交叉及發(fā)展的一個重要方向。以1kW 的PEMFC 為例，其建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)供電效率可達30%以上，熱電綜合效率超過80%。到目前為止，還沒有特別有效的辦法將氫氣輸送至家庭中并進行存儲，因此，將制氫系統(tǒng)與燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)合可以實現(xiàn)為家庭用戶供能。通過可再生能源制氫、PEMFC技術(shù)、多能互補技術(shù)體系實現(xiàn)冷熱電聯(lián)產(chǎn)，滿足村鎮(zhèn)用戶電力需求的同時，解決全年生活熱水、制冷及冬季采暖需求。一方面可提升電解制氫在平抑新能源出力波動、參與電網(wǎng)調(diào)控方面的作用，另一方面能真正克服太陽能、風能等可再生能源的間歇性和波動性問題，實現(xiàn)冷熱電供能的可持續(xù)發(fā)展。

基于可再生能源制氫的PEMFC-CCHP 系統(tǒng)利用太陽能、風能、空氣能等可再生能源，以PEMFC 為核心動力單元進行熱電聯(lián)產(chǎn)，同時結(jié)合補熱補電單元穩(wěn)定供給居民生活用電、熱水、采暖以及制冷等能源需求，其工作原理如圖4所示。利用太陽能、風能等可再生能源進行電解水制氫，制得的氫氣經(jīng)過加濕預熱系統(tǒng)進入PEMFC，燃料電池產(chǎn)生的電能經(jīng)逆變器，將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，送入電網(wǎng)供用戶使用，供電不足時從電網(wǎng)購買。發(fā)電過程中產(chǎn)生的大量余熱，通過循環(huán)冷卻水系統(tǒng)與熱交換器交換，熱交換器的熱水經(jīng)熱水水箱分流，其中一部分通往加濕預熱系統(tǒng)給PEMFC 電堆的進氣進行加濕、預熱處理；一部分通過供熱管道提供給用戶生活熱水和進行建筑采暖；另一部分通往吸收式制冷機組或空氣源熱泵系統(tǒng)，用于夏季制冷及冬季供暖，用戶可根據(jù)自身需求選擇合適的制冷制熱設備，當蓄熱器中熱量不足以維持系統(tǒng)熱量輸出時，由補熱系統(tǒng)進行補熱，保證能量供應的可靠性。PEMFC 耦合CCHP 技術(shù)，結(jié)合可再生能源制氫，不僅可以為用戶提供電能，并且可以將燃料電池中釋放的熱量利用冷卻水帶走，用于用戶供熱，充分利用了二次能量，提高能源的利用效率。

圖4 以可再生能源制氫為基礎的PEMFC-CCHP系統(tǒng)

PEMFC-CCHP系統(tǒng)具有以下幾個優(yōu)勢。

（1）節(jié)能 回收了PEMFC 產(chǎn)生的廢熱，提高了系統(tǒng)效率及能量利用率。

（2）環(huán)保 該系統(tǒng)運行時不會產(chǎn)生SO、NO以及顆粒物等有害物質(zhì)，沒有旋轉(zhuǎn)運動部件，機械損失小，無噪聲，對用戶影響小。

（3）體積小 千瓦級PEMFC-CCHP 系統(tǒng)的體積與空調(diào)相近，存放十分方便，結(jié)構(gòu)簡單，維護方便。

（4）效率高 不受卡諾循環(huán)的限制，且設備安裝在用戶家中，大大減少電能傳輸?shù)膿p失，提高了系統(tǒng)的發(fā)電效率。

（5）可靠 PEMFC 發(fā)電系統(tǒng)對負載變動響應速度快，且變負荷發(fā)電過程中效率波動不大，供電穩(wěn)定性好。

2 PEMFC-CCHP系統(tǒng)研究進展

現(xiàn)階段，PEMFC-CCHP 系統(tǒng)研究主要集中在多能互補系統(tǒng)構(gòu)建、系統(tǒng)數(shù)學模型構(gòu)建及求解、系統(tǒng)多維度評價與能源管理、系統(tǒng)優(yōu)化理論與應用等方面。各個方面相互聯(lián)系、相互作用、相互制約、相互調(diào)節(jié)，構(gòu)建起高效穩(wěn)定的PEMFC-CCHP系統(tǒng)。通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀調(diào)研，總結(jié)出PEMFCCCHP系統(tǒng)研究脈絡如圖5所示。

圖5 PEMFC-CCHP系統(tǒng)研究脈絡

PEMFC與熱泵、有機朗肯循環(huán)（organic Rankine cycle，ORC）機組、高效蓄能、熱電制冷、可再生能源等有機組合成PEMFC-CCHP 聯(lián)供系統(tǒng)，利用熱力學、傳熱傳質(zhì)學、電化學等基礎學科知識和商業(yè)編程語言對整個系統(tǒng)進行建模及求解。對系統(tǒng)內(nèi)部以及不同系統(tǒng)間的能源管理策略、熱力性能、環(huán)境效益、經(jīng)濟效益進行多維度定量評價，優(yōu)化評價指標體系，科學運用評價結(jié)果，判斷系統(tǒng)優(yōu)劣，完善現(xiàn)行系統(tǒng)評價體系。最后結(jié)合優(yōu)化算法對系統(tǒng)進行以能源、環(huán)境、經(jīng)濟為目標的單目標或多目標優(yōu)化，確定系統(tǒng)最優(yōu)容量配置、最佳運行參數(shù)及最高效的運行策略，同時兼顧儲能影響，需求側(cè)響應，電力、可再生能源及系統(tǒng)運維成本，實現(xiàn)系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、低碳、節(jié)能、經(jīng)濟的運行，提高實際應用的可靠性。

2.1 PEMFC耦合CCHP技術(shù)的集成系統(tǒng)

PEMFC 可與熱泵、制冷技術(shù)、儲熱技術(shù)、儲電技術(shù)、ORC 以及可再生能源進行有效集成，具備可觀的發(fā)展前景。PEMFC-CCHP 的分布式供能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化關系如圖6 所示。PEMFC 與熱泵、儲能結(jié)合，構(gòu)成微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，可應用于不同氣候區(qū)域的離網(wǎng)建筑，研究表明與基于內(nèi)燃機的傳統(tǒng)微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比，每年可降低20%的燃料消耗。吸收式熱泵可用余熱驅(qū)動，對溫度要求不高，可與LT-PEMFC 相結(jié)合，但吸收式熱泵系統(tǒng)相比蒸氣壓縮式熱泵更為復雜，不適合微型家用聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。而蒸氣壓縮式熱泵的COP 較高，將其與燃料電池結(jié)合，系統(tǒng)性能增幅可達7.6%，且顯著降低系統(tǒng)運行維護成本。燃料電池與生物質(zhì)能、熱泵耦合實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，系統(tǒng)?效率為29.2%。當加入鋰電池儲電設備時，熱電聯(lián)產(chǎn)的日耗氫量可減少14.47%，日運行費用可減少9.5%。由此，PEMFC耦合CCHP的各種集成系統(tǒng)在各個方面均得到相應的試驗研究，其最終結(jié)果均表明PEMFC可適用于多種形式的CCHP系統(tǒng)。

圖6 PEMFC-CCHP的分布式供能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化關系

Chang 等構(gòu)建了8kW PEMFC 與ORC、蒸氣壓縮循環(huán)組成的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，綜合系統(tǒng)的平均性能系數(shù)為1.19（夏季）和1.42（冬季），平均?效率分別為46%和47%。張濤等構(gòu)建了太陽能耦合PEMFC的聯(lián)供系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用40～45℃的低溫太陽能集熱器/空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，可有效吸收PEMFC循環(huán)冷卻水熱量，確保聯(lián)供系統(tǒng)正常運行。何麗美等提出可逆PEMFC 和膨脹機相結(jié)合的新型CCHP綜合能源系統(tǒng)，同時加入可再生能源發(fā)電設備，當可逆PEMFC電堆以50kW的發(fā)電功率運行時，該CCHP 綜合能源系統(tǒng)的發(fā)電效率為56.2%，熱效率為35.2%，總效率為91.4%，?效率為54%，且在15～85kW 的發(fā)電功率變化范圍內(nèi)系統(tǒng)能效均超過89%。鄧銳將HT-PEMFC與單效溴化鋰制冷機組結(jié)合構(gòu)建CCHP 系統(tǒng)，系統(tǒng)能源利用率高達60%～90%。Chen 等將PEMFC 與拋物面槽式太陽能集熱器、雙效吸收式冷水機組集成混合CCHP系統(tǒng)，該系統(tǒng)的最高效率為80.5%。由此可見，結(jié)合可再生能源的PEMFC-CCHP 系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展空間，其熱電效率較高。

2.2 PEMFC-CCHP系統(tǒng)數(shù)學建模

在21 世紀前20 年內(nèi)，隨著能源科技工作者對能源綜合利用效率的精益求精和科學探索，以往以發(fā)電為主要目的燃料電池技術(shù)實現(xiàn)了熱電聯(lián)產(chǎn)，其能源綜合利用效率可達90%以上。在不同的工作溫度下PEMFC 具有不同的熱電聯(lián)產(chǎn)性能，某些測試工況下最高電效率和熱效率可達48%和44%。PEMFC-CCHP 系統(tǒng)性能可以通過系統(tǒng)建模仿真獲得，其建模往往涉及熱力學、電化學、傳熱傳質(zhì)學等物理學過程，系統(tǒng)的建?；谌舾勺酉到y(tǒng)的數(shù)學模型，涉及熱經(jīng)濟性能、以逐時負荷為基礎的動態(tài)性能及能量管理策略等。Jo 等建立了考慮燃料重整的5kW HT-PEMFC 家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)模型，研究燃料重整過程的反應動力學。李曉嫣對千瓦級別的PEMFC 聯(lián)供系統(tǒng)進行完整的建模，通過與已有的文獻對比驗證了模型的有效性。

PEMFC-CCHP 系統(tǒng)建模過程如圖7 所示，其初始步驟包括：設置常數(shù)參數(shù)、初始化變量以及組件和子系統(tǒng)的建模后，將組件/子系統(tǒng)模型集成到整個系統(tǒng)模型中；利用實驗或文獻數(shù)據(jù)對系統(tǒng)模型進行仿真和驗證；向系統(tǒng)提供負荷曲線數(shù)據(jù)。負荷數(shù)據(jù)通常包括住宅的電力、空間供冷供熱和生活熱水負荷等。根據(jù)負荷數(shù)據(jù)，可以對系統(tǒng)進行校準及調(diào)整，當達到足夠的精度時，確定系統(tǒng)最終模型，提取輸出值。在瞬態(tài)負載、考慮組件/子系統(tǒng)模型的幾何建模情況下，必須在滿載和部分負載條件下對系統(tǒng)模型進行仿真。

圖7 PEMFC-CCHP系統(tǒng)建模流程[16]

對燃料電池驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的仿真模擬，大多采用自編程軟件或較為成熟的商業(yè)軟件（HYSYS，Aspen Plus，HOMER等）。Morad等利用HYSYS建立了多能互補綜合能源系統(tǒng)的熱力學模型，并根據(jù)計算結(jié)果用MATLAB 軟件對燃料電池和碟式太陽能耦合系統(tǒng)進行了電化學建模。Jing 等使用HOMER 軟件對基于燃料電池的聯(lián)供系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)進行了并行仿真對比分析。Korsgaard 等使用MATLAB/Simulink 軟件，結(jié)合實驗驗證，開發(fā)了HT-PEMFC 冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)瞬態(tài)經(jīng)驗模型，該模型考慮了操作溫度、陰極化學計量比、重整氣體中一氧化碳含量以及電流密度的變化，以25 個單戶住宅的瞬時能耗、電網(wǎng)電力和天然氣價格作為輸入，對一整年周期進行了模擬。

2.3 PEMFC-CCHP系統(tǒng)運行策略及能源管理

綜合能源管理系統(tǒng)需要考慮能源需求、氣候條件、能源成本和主輔能源效率的時變特性，同時其控制策略基于時變特性及真實管理場景。其變負荷調(diào)整主要有電跟隨、熱跟隨和先進的實時跟隨控制管理模式。各運行策略的特性見表1，運行方式的選擇與所注重的系統(tǒng)性能評價指標直接相關，系統(tǒng)采取電跟隨策略時，雖然多余的熱量可以儲存在儲熱罐中，但當燃料電池排出的熱量與建筑物的熱負荷相匹配時，燃料的消耗量會大幅減少。系統(tǒng)采用熱跟隨運行策略時，產(chǎn)生的熱量必須滿足需求，而電力可以根據(jù)需要輸入和輸出到中央電網(wǎng)，適用于沒有儲熱的并網(wǎng)微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。因此，減少儲熱需求在空間、熱損失和資本成本方面較為有利?；旌线\行策略為電跟隨和熱跟隨相結(jié)合的運行模式，根據(jù)用戶需求實時調(diào)控，例如在采暖季采用熱跟隨運行策略，非采暖季采用電跟隨運行策略?；旌线\行策略兼具電跟隨與熱跟隨的特點，聯(lián)供系統(tǒng)分時段、分季節(jié)分別采用電跟隨和熱跟隨，可以有多個目標：最大凈電效率和系統(tǒng)效率，減少熱量排放，最小化電網(wǎng)相互作用（對于并網(wǎng)系統(tǒng)）等，但具體的運行方式還需要根據(jù)功能系統(tǒng)的系統(tǒng)特性、負荷特點、電價成本等進行綜合考慮。

表1 PEMFC-CCHP系統(tǒng)運行策略的主要特點

Kwan 等開發(fā)了一種實時能源管理策略，該策略可最小化一次能源消耗和啟動時間，同時適當?shù)仄胶鈨δ懿考械哪芰?，可使一次能源利用率在冬季和夏季分別提高3.4%和5.6%。從能源價格的角度來看，與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，基于燃料電池的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運行策略的選擇取決于機組成本、燃料成本和生命周期成本等經(jīng)濟性因素。這些因素在不同的地點有所不同，在目前單位電力成本較高的地區(qū)，由于傳統(tǒng)電網(wǎng)發(fā)電效率低，與熱跟隨策略相比，應用電跟隨策略可消除電網(wǎng)的相互作用，將更為有利。

PEMFC-CCHP 系統(tǒng)高效協(xié)同的智能化能源管理策略是系統(tǒng)有效滿足用戶負荷和有序進行能量輸運的基本保障。張興梅等以60kW級PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)為例，分析了用戶電負荷及生活熱水負荷的變化規(guī)律，模擬了能量供需的匹配與運行模式，考察了不同季節(jié)、不同時段系統(tǒng)對用戶熱電負荷的滿足情況及系統(tǒng)實現(xiàn)的效率，按擬定策略運行時燃料節(jié)約情況及CO和NO的減排效果。李曉嫣在MATLAB/SIMULINK 平臺上搭建了千瓦級PEMFC 聯(lián)供系統(tǒng)的熱電模型，采用電跟隨策略，通過參考模擬工況下的電負荷與熱負荷曲線研究了可變負載下系統(tǒng)的動態(tài)行為。同時，李曉嫣等針對PEMFC 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中水冷式燃料電池的散熱特性直接受用戶側(cè)熱水器水溫影響的特點，提出基于熱水溫度的熱電聯(lián)供運行方案，通過模擬家庭用戶一天用能需求，表明該方案在滿足居民日常熱需求的同時，可以滿足部分電需求，可有效節(jié)省能耗。趙洪波等提出了流量跟隨電流及功率和應用神經(jīng)網(wǎng)絡自抗擾方法的兩種熱管理策略，實現(xiàn)了PEMFC 溫度控制快速響應和穩(wěn)定能量輸出。Kang 等構(gòu)建了基于蓄熱的PEMFC 熱管理系統(tǒng)，進行發(fā)電堆棧余熱流體分配控制。Chen等提出了一種由PEMFC、太陽能集熱器、固體氧化物電解槽和雙朗肯循環(huán)組成的可再生能源多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，考慮到全天的太陽輻射變化，該系統(tǒng)以3 種模式運行：太陽-PEMFC 模式、太陽-SOEC 模式和PEMFC 模式，其能效分別為37%、67%和82%，電解效率可達76%。

綜合能源管理系統(tǒng)也需要進行深度優(yōu)化控制，其高階發(fā)展最終必然是優(yōu)化問題。PEMFC-CCHP系統(tǒng)運行策略的優(yōu)化，主要是根據(jù)建筑需求、氣候條件、用戶習慣以及電價成本等特性，在常規(guī)的供能系統(tǒng)運行模型的基礎上衍生出的新型的、更加靈活的運行模式。Asensio 等基于具有非線性自回歸外生結(jié)構(gòu)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）建立了PEMFC-CCHP 系統(tǒng)能源管理系統(tǒng)優(yōu)化控制模型，以最大限度地提高PEMFC 的能源效率，降低熱電聯(lián)產(chǎn)成本，該模型具有較高精度，可成為優(yōu)化控制策略的有效工具。

2.4 PEMFC-CCHP系統(tǒng)多維度評價

PEMFC-CCHP 系統(tǒng)作為一個綜合能源系統(tǒng)，其性能評價與分析可以采用涵蓋熱力學、環(huán)境、經(jīng)濟和社會等在內(nèi)的多維度評價指標。PEMFCCCHP系統(tǒng)的常見評價指標見表2。同時，PEMFCCCHP系統(tǒng)多維度評價往往和系統(tǒng)多目標優(yōu)化不可分割，相輔相成，多維度性能分析是多目標優(yōu)化的基礎，通過多目標優(yōu)化可以獲得較優(yōu)的系統(tǒng)多維度性能。

表2 PEMFC-CCHP系統(tǒng)的常見評價指標

Chu 等從多目標優(yōu)化角度入手分析，CCHP系統(tǒng)可實現(xiàn)減少39.6%的CO排放量和26.5%的一次能源消耗量。Liu 等利用能量和?方法建立了燃料電池與ORC 耦合的能源系統(tǒng)數(shù)學模型，系統(tǒng)綜合能源利用率為79.48%、?效率為62.29%、CO捕獲率為79.2kg/h。由PEMFC、吸收式冷水機組、泵、壓縮機和蓄熱水箱組成的CCHP系統(tǒng)與傳統(tǒng)能源供應系統(tǒng)相比燃料節(jié)省率為45%，其最大?損失發(fā)生在PEMFC中，隨著燃料電池尺寸的增大，冷水機組的能效和COP增加，但?效率降低。Sui等建立的PEMFC熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可有效減少65.99%的年CO排放量和66.74%的運行成本，其內(nèi)部收益率為8.93%。同時，燃料電池與蒸汽壓縮制冷熱泵技術(shù)、吸收式制冷/制熱技術(shù)、太陽能、生物質(zhì)能等技術(shù)集成時，可顯著減少系統(tǒng)的污染物排放，具有較優(yōu)的環(huán)境效益。多屬性評價指標是對系統(tǒng)優(yōu)劣判斷分析最直觀的量化表現(xiàn)，通過其數(shù)值可以對系統(tǒng)好壞進行對比分析。

2.5 PEMFC-CCHP系統(tǒng)優(yōu)化理論與應用

開發(fā)更好的CCHP系統(tǒng)需要對整個系統(tǒng)進行全面優(yōu)化。盡管聯(lián)供系統(tǒng)理論上優(yōu)于傳統(tǒng)分供系統(tǒng)，但聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化問題比僅含化石能源的傳統(tǒng)和分布式能源系統(tǒng)更為復雜，且燃料電池開發(fā)中的高成本問題必須通過系統(tǒng)的優(yōu)化設計來解決。在優(yōu)化設計時，組件的建模、選擇評估標準、系統(tǒng)設計的評估、系統(tǒng)控制和管理以及整體設計的優(yōu)化等方面均要合理考慮，如圖8 所示。PEMFC-CCHP 系統(tǒng)具有多能源、多能流、多輸出的典型特征，是一個復雜的綜合能源系統(tǒng)，從設備容量配置、運行參數(shù)確定、控制策略選擇、能量輸出最佳值、系統(tǒng)評價等方面均需要優(yōu)化分析，以實現(xiàn)具體的熱力學、經(jīng)濟性能或多屬性的優(yōu)化目標。其中系統(tǒng)的容量配置建模主要包含約束條件、優(yōu)化指標、優(yōu)化目標、優(yōu)化算法4個方面，這4個方面在優(yōu)化過程中相互關聯(lián)，相互制約。CCHP系統(tǒng)多目標優(yōu)化問題同時還需要考慮冷熱電負荷動態(tài)變化的需求響應機制、儲能系統(tǒng)的影響、可再生能源及冷熱電市場價格、系統(tǒng)運維成本及可靠性等多方面。

圖8 PEMFC-CCHP系統(tǒng)設計優(yōu)化過程的一般步驟[74]

Arsalis 等概述了以PEMFC 和SOFC 為原動機的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)及其相關的熱管理體系，指出與CHP 系統(tǒng)相比，其系統(tǒng)評估存在不完善，系統(tǒng)商業(yè)化很大程度上取決于技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境參數(shù)的組合。Milcarek 等對基于燃料電池的微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行了綜述，涵蓋了該系統(tǒng)商業(yè)化前景的基本方面，指出現(xiàn)有基于燃料電池的微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的年平均能源消耗量和相關的溫室氣體排放量被重點關注，而沒有充分考慮負荷和供應的季節(jié)性和日常變化。Elmer等通過評估燃料電池技術(shù)、燃料電池的CCHP系統(tǒng)，提供了英國國內(nèi)建筑環(huán)境中運行的燃料電池技術(shù)的最新綜述，指出燃料電池技術(shù)推廣過程中面臨的主要挑戰(zhàn)是其資本成本。Ellamla等從基于PEMFC和SOFC的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的主要組成部分和實際應用等方面，綜述了基于燃料電池的住宅熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，同樣指出目前系統(tǒng)主要缺點是初始投資成本高。因此，目前PEMFC冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化目標多以經(jīng)濟為主。對于PEMFC-CCHP系統(tǒng)而言，常用的優(yōu)化算法有帝企鵝優(yōu)化算法、粒子群算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、多目標遺傳算法、遺傳算法及動態(tài)規(guī)劃以及各種改進的優(yōu)化算法等。常見的優(yōu)化目標包括最大化燃料（氫能）利用率、電效率、熱效率和輔助系統(tǒng)性能（如熱泵COP），最小化排放、最小化初投資和維護成本。同時，諸多的優(yōu)化目標之間難以同時獲得最優(yōu)解，需要權(quán)衡各目標的權(quán)值，且權(quán)值會隨著地域、時間等因素發(fā)生動態(tài)變化，優(yōu)化點本身存在遺傳性和迭代進化特性。表3 給出基于PEMFC聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化研究，并對其系統(tǒng)配置、優(yōu)化目標和所采用的算法進行匯總。

表3 基于PEMFC聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化

Guo等針對PEMFC驅(qū)動的聯(lián)供系統(tǒng)，分析比較改進的浮游算法與傳統(tǒng)浮游算法、遺傳算法的優(yōu)化結(jié)果。Meng 等提出了基于各種需求響應的燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)成本和排放最小化多目標短期調(diào)度模型，進行了系統(tǒng)優(yōu)化及最優(yōu)調(diào)度研究。最優(yōu)調(diào)度也可以同時考慮需求側(cè)響應、排放和成本因素，獲得綜合最佳折中方案。采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型，將PEMFC熱電聯(lián)產(chǎn)模型與電網(wǎng)模型集成，可以進一步優(yōu)化系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性指標。以遺傳算法生成可行的解集，進而調(diào)用動態(tài)規(guī)劃算法計算每個解的最優(yōu)儲能集合點，進一步可以考慮需求側(cè)響應的CCHP系統(tǒng)運行優(yōu)化。PEMFC-CCHP系統(tǒng)的容量配置和運行策略相互影響，單一考慮對該系統(tǒng)運行策略或者系統(tǒng)容量優(yōu)化配置，都有很大局限性。

3 未來發(fā)展趨勢

根據(jù)可再生資源的地域分布特點，基于可再生能源制氫的PEMFC-CCHP 系統(tǒng)在農(nóng)村地區(qū)及離網(wǎng)區(qū)域具有廣闊的應用前景。但現(xiàn)階段該系統(tǒng)仍存在一些亟待解決的問題，系統(tǒng)有機整合缺乏明確的技術(shù)框架與氣候適用性；系統(tǒng)優(yōu)化及效率提升往往移植城市商業(yè)、民用建筑能源系統(tǒng)，缺乏對用戶習慣、村鎮(zhèn)建筑用能需求的適應性研究，落地難度大；無法實現(xiàn)多能互補聯(lián)供系統(tǒng)配置優(yōu)化與實時調(diào)控。今后學者們?nèi)暨M行此類研究，可以從以下4個方面開展。

（1）能源稟賦、供需整合與多尺度建模。傳統(tǒng)供能系統(tǒng)一般用于商業(yè)建筑或城市民用建筑，其熱電比一般在10 以內(nèi)。而在熱電比較大的地區(qū)，冷熱負荷存在明顯的季節(jié)性差異和全天時段性波動，這就要求系統(tǒng)要有足夠的蓄能裝置以及適用的運行策略，對系統(tǒng)的配置及運行兩方面提出苛刻要求?，F(xiàn)階段，我國村鎮(zhèn)建筑供能系統(tǒng)能源相互割裂，多物質(zhì)流和多能流缺乏有機整合是系統(tǒng)綜合能效較差的主要原因。迫切需要結(jié)合當?shù)刭Y源能源稟賦，探索有機整合與效率提升技術(shù)途徑。PEMFC-CCHP系統(tǒng)具備分布式供能的典型特征和能源有機整合高效利用的巨大潛力，是解決我國村鎮(zhèn)建筑冷、熱、電等能源需求的方案之一。同時，針對這類系統(tǒng)的典型特征，進行多尺度建模是系統(tǒng)供需整合、能量匹配及優(yōu)化的前提和基礎，但現(xiàn)階段多尺度建模的研究仍然很欠缺。多尺度建模是指對不同的區(qū)域或不同的尺度層次應用不同物理規(guī)律進行建模的方法，可以更好地反映系統(tǒng)的物性機理，為有效計算提供可能性?，F(xiàn)有PEMFC模型和用于CCHP系統(tǒng)的實際建筑的集成式PEMFC 模型之間存在脫節(jié)，用于構(gòu)建綜合CCHP 系統(tǒng)的PEMFC 模型缺乏更復雜的動態(tài)能力。在PEMFC-CCHP 系統(tǒng)中進行多尺度建模給出電池內(nèi)部傳輸過程的規(guī)律，準確反映電池中各物理量的空間時間分布，為整個系統(tǒng)的精準控制提供可靠依據(jù)。

（2）多能互補供能。歸因于用戶負荷的時域波動性及地域差異性，PEMFC-CCHP 系統(tǒng)需要與其他供能技術(shù)耦合，解決冷熱電出力的匹配、供能高效及穩(wěn)定性等問題。蒸汽壓縮式熱泵是PEMFCCCHP 系統(tǒng)良好的互補選擇，同時結(jié)合高效蓄熱、儲電系統(tǒng)，可以最大化利用熱泵節(jié)能性和穩(wěn)定性，有效降低整個系統(tǒng)的運行成本，提高多能互補供能系統(tǒng)能量輸出穩(wěn)定性，顯著降低排放，提高系統(tǒng)綜合性能。如何統(tǒng)籌協(xié)調(diào)多種能源互補特性，通過源-網(wǎng)-荷-儲等各環(huán)節(jié)靈活配置，實現(xiàn)可再生能源就地消納，提升系統(tǒng)綜合能效，實現(xiàn)用戶與電網(wǎng)之間的雙向互動，對該系統(tǒng)的研究具有十分重要的價值。

（3）系統(tǒng)評價方法及評價體系建立。基于可再生能源技術(shù)的多能互補供能系統(tǒng)是多輸入、多輸出、多物質(zhì)流和多能流的復雜能源系統(tǒng)，利用熱力學、傳熱學等基礎理論建立的復雜能量循環(huán)系統(tǒng)。PEMFC-CCHP 系統(tǒng)在嚴寒及寒冷地區(qū)應用需要考慮PEMFC 的啟動問題、滿足用戶電能需求的內(nèi)部電池堆大小問題、燃料電池運行溫度控制問題和系統(tǒng)補熱補電問題，這些因素也使得系統(tǒng)較為復雜。系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)換規(guī)律及多因素耦合影響機理研究顯得尤為重要，直接影響到系統(tǒng)性能評價指標的確立及體系的建立。并且PEMFC 內(nèi)部電池堆以及較大容量的補熱裝置對系統(tǒng)的熱力性能及經(jīng)濟性能勢必產(chǎn)生巨大的影響。很多學者從節(jié)能性、減排率、經(jīng)濟性入手，揭示系統(tǒng)特定工況或短時性能，進而對系統(tǒng)進行單屬性或多屬性評價。但全面考慮可再生能源貢獻、建筑及氣候影響、多種能源集成情況和用戶習慣和感受等，適用于高比例可再生能源輸入的村鎮(zhèn)建筑供用能系統(tǒng)評價方法與評價體系比較欠缺或不完善。

（4）系統(tǒng)集成優(yōu)化。采用先進優(yōu)化算法，以最大化能源利用、最小化投資及排放等為目標，可以獲得PEMFC-PEMFC 系統(tǒng)最優(yōu)配置及運行控制策略，但優(yōu)化多集中在區(qū)域能源宏觀層面協(xié)同調(diào)配及性能提升方面，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)多樣化特征及高度耦合特性增加了協(xié)調(diào)能源供應以滿足需求的難度，特別是受到區(qū)域氣候環(huán)境、村鎮(zhèn)建筑特點、用能習慣等因素的強烈影響。特別缺乏供用能端能源轉(zhuǎn)化與耦合規(guī)律和多能流、多物質(zhì)流的主動協(xié)同控制和智能優(yōu)化方法，對聯(lián)供系統(tǒng)高效運行產(chǎn)生諸多障礙。

總之，基于可再生能源制氫的PEMFC-CCHP系統(tǒng)由諸多類型的設備構(gòu)成，設備間相互依存、相互影響，而且系統(tǒng)與環(huán)境溫濕度、燃料進料比存在密切的聯(lián)系，各因素或因素群間亦存在復雜的相互影響和耦合關系。未來該系統(tǒng)的研究，需要以用戶側(cè)冷、熱、電能源需求為依據(jù)，通過系統(tǒng)多尺度建模、實驗驗證等方法，定量研究多種運行模式下，各因素間耦合影響定量規(guī)律，揭示系統(tǒng)的能量特性，從建立適宜于本系統(tǒng)的性能評價體系及優(yōu)化算法，協(xié)同研究系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)最優(yōu)配置關系及優(yōu)化運行控制策略入手，得到更為全面高效穩(wěn)定的PEMFC-CCHP 系統(tǒng)，為系統(tǒng)的推廣應用提供基礎性支撐。

4 結(jié)語

通過PEMFC、高效儲能、多能互補技術(shù)實現(xiàn)冷熱電聯(lián)產(chǎn)，形成PEMFC-CCHP分布式供能系統(tǒng)，可以有效解決我國村鎮(zhèn)居民電力、生活熱水、制冷和采暖需求，在我國城鎮(zhèn)化進程及美麗鄉(xiāng)村建設過程中具有鮮活的生命力。但目前系統(tǒng)的有機整合缺乏明確的技術(shù)框架與氣候適用性；缺乏對用戶習慣、村鎮(zhèn)建筑用能需求的適應性研究；并缺乏對多能互補聯(lián)供系統(tǒng)的配置優(yōu)化與實時調(diào)控等。且國內(nèi)PEMFC-CCHP 系統(tǒng)還處于初步階段，該系統(tǒng)的研究能夠為國內(nèi)燃料電池聯(lián)供系統(tǒng)的實際應用提供參考。本文全面綜述了PEMFC-CCHP 系統(tǒng)的研究進展，提出該領域目前面臨的主要問題及未來發(fā)展方向。今后，PEMFC-CCHP 系統(tǒng)會面臨更多的挑戰(zhàn)與機遇，相信隨著科學研究的不斷深入，技術(shù)的不斷優(yōu)化、政府企業(yè)的大力支持，PEMFC-CCHP 系統(tǒng)將在我國分布式供能領域展現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性和強大的生命力。