國網(wǎng)浙江省電力有限公司麗水供電公司 劉子卓 江蘇和動力電子工程有限公司 伍桂平 南京工程學(xué)院 曹先齊

1 引言

碳中和被廣泛認(rèn)為是解決全球變暖走向可持續(xù)發(fā)展的途徑。實現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略的主要任務(wù)之一是實現(xiàn)從以化石能源為基礎(chǔ)的碳基電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)為以可再生能源為基礎(chǔ)的零碳電力[1]。燃料電池將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，具有高效率、低排放的突出優(yōu)勢。近年來，家用型燃料電池微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)受到廣泛關(guān)注[2-4]。燃料電池系統(tǒng)發(fā)電效率可達(dá)到40%～60%，其余廢熱可用于供熱或生活熱水，整個系統(tǒng)能量利用效率可達(dá)90%[5]。

質(zhì)子交換膜燃料電池與熱泵耦合系統(tǒng)（PEMFHP）結(jié)合了燃料電池和電熱泵的清潔和高效的優(yōu)勢，極具發(fā)展?jié)摿ΑＳ醒芯繉Ρ攘巳N熱泵技術(shù)與燃料電池構(gòu)成的家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)。結(jié)果表明“燃料電池+空氣源熱泵”系統(tǒng)在節(jié)約能耗和節(jié)省運行成本上最具優(yōu)勢，同時搭配15.6kW蓄電池可滿足全年熱電負(fù)荷。研究了并網(wǎng)型家用“燃料電池+空氣源熱泵”熱電聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能潛力，相比于常規(guī)電網(wǎng)供電+燃?xì)忮仩t供暖，系統(tǒng)節(jié)能44%。采用陰極開放式空冷質(zhì)子交換膜燃料電池和熱泵復(fù)合式系統(tǒng)，電堆余熱直接用于給建筑供應(yīng)熱風(fēng)，熱泵COP為3.8，系統(tǒng)COP達(dá)4.09。設(shè)計了并網(wǎng)型“燃料電池+電熱泵”家庭冷熱聯(lián)供系統(tǒng)，系統(tǒng)按“以熱定電”模式運行。結(jié)果表明，燃料電池的平均效率為0.38，系統(tǒng)總效率達(dá)0.815。

2 原理和方法

2.1 原理和假設(shè)

質(zhì)子交換膜燃料電池與空氣源熱泵的耦合系統(tǒng)（PEMFC-ASHP）原理如圖1所示。在此系統(tǒng)中，氫氣和空氣在燃料電池內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能和熱能，燃料電池產(chǎn)生的電能經(jīng)變換器直接給熱泵系統(tǒng)的壓縮機供電。PEMFC的模型設(shè)計參數(shù)見表1，ASHP的模型設(shè)計參數(shù)見表2。

圖1 PEMFC-ASHP系統(tǒng)原理

表1 PEMFC的設(shè)計參數(shù)

表2 ASHP的設(shè)計參數(shù)

2.2 PEMFC模型

2.2.1 熱力學(xué)電壓

2.2.2 活化過電壓

式中，i為電流密度；A為單個電池有效活化面積。

2.2.3 歐姆過電壓

2.2.4 濃度過電壓

2.2.5 性能參數(shù)

PEMFC電堆的功率密度、熱回收量、發(fā)電效率分別為：

2.3 ASHP模型

2.4 模型驗證

相同的運行條件下，PEMFC在不同電流密度下的輸出電壓對比，PEMFC模型驗證如圖2所示。從圖中可以看出，在低電流密度（i < 1.0）下，模擬結(jié)果和試驗結(jié)果具有較好的一致性，輸出電壓的最大誤差小于8%。而在高電流密度（i > 1.0）下，二者誤差相對較大。這是由于在實際過程中，燃料電池在高電流密度下運行時，陰極會產(chǎn)生較多的液態(tài)水，容易造成燃料電池“水淹”現(xiàn)象，導(dǎo)致氧氣到達(dá)催化劑參與反應(yīng)的通道受阻，進(jìn)而帶來了額外的濃度過電壓損失。

圖2 PEMFC模型驗證

3 模擬結(jié)果

3.1 PEMFC 極化性能

氣體相對濕度對PEMFC的輸出電壓、功率密度、電堆效率的影響特性如圖3所示。由圖3（a）可以看出，氣體相對濕度對PEMFC輸出電壓的影響較為明顯。在當(dāng)電流密度0.6A/cm2，氣體相對濕度分別為60%、80%和100%時，PEMFC的輸出壓力分別為0.40V、0.54V和0.63V。同樣，PEMFC在更高的氣體相對下具有更大的極限電流密度。由圖3（b）可以看出，氣體相對濕度分別為60%、80%和100%時，最大功率密度分別為0.24W/cm2、0.38W/cm2和0.56W/cm2，其對應(yīng)的電流密度分別為0.61A/cm2、0.96A/cm2和1.21A/cm2。

圖3 氣體相對濕度對PEMFC的影響規(guī)律

3.2 PEMFC-ASHP耦合型性能

3.2.1 夏季工況

夏季工況下環(huán)境溫度對PEMFC-ASHP的影響規(guī)律如圖4所示。

圖4 夏季工況下環(huán)境溫度對PEMFC-ASHP的影響規(guī)律

圖4（a）為夏季運行工況下，環(huán)境溫度對PEMFC-ASHP系統(tǒng)的制冷量、制冷COP的影響規(guī)律。隨著環(huán)境溫度的升高，熱泵制冷性能惡化，制冷量和COP都呈現(xiàn)降低趨勢。隨著環(huán)境溫度從20 ?C升高到40?C，制冷量從84.06kW降低到76.65kW，降低了8.8%。由此可見，溫度對電流密度的影響較小。COP從3.55降低到2.74，降低了23%。此外，熱泵制冷性能惡化導(dǎo)致熱泵壓縮機耗功率升高，因此燃料電池的輸出功率和產(chǎn)熱量升高，隨著環(huán)境溫度從20?C升高到40?C，燃料電池的熱回收量從29.97kW升高到40.19kW。

圖4（b）為環(huán)境溫度對PEMFC-ASHP系統(tǒng)中燃料電池電流密度和耗氫率的影響規(guī)律。由上述分析可知，熱泵性能的惡化導(dǎo)致燃料電池的輸出電功率升高，因此電堆的電流密度和耗氫率升高，隨著環(huán)境溫度從20?C升高到40?C，燃料電池的電流密度從0.4961g/cm2升高到0.6352g/cm2，耗氫率從26.84g/min升高到34.36g/min。

3.2.2 冬季工況

冬季工況下環(huán)境溫度對PEMFC-ASHP的影響規(guī)律如圖5所示。

圖5 冬季工況下環(huán)境溫度對PEMFC-ASHP的影響規(guī)律

圖5（a）為冬季運行工況下，環(huán)境溫度對PEMFC-ASHP系統(tǒng)的制熱量、制熱COP的影響規(guī)律。由于環(huán)境溫度的升高，熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)溫度升高，熱泵循環(huán)改善，制冷劑流量增加，從而熱泵制熱量和制熱性能COP都呈現(xiàn)升高趨勢。隨著環(huán)境溫度從-5?C升高到10?C，制熱量從62.22kW提升到90.17kW，提升了44.9%。COP從3.14升高到3.84，升高了22.2%。隨著環(huán)境溫度從20?C升高到40?C，供熱水量從22.66kW升高到29.58 kW。

圖5（b）為環(huán)境溫度對PEMFC-ASHP系統(tǒng)中燃料電池電流密度和耗氫率的影響規(guī)律。由于熱泵循環(huán)改善和制冷劑流量增加，熱泵系統(tǒng)壓縮機的耗功率升高。因此電堆的電流密度和耗氫率升高，隨著環(huán)境溫度從-5?C升高到10?C，燃料電池的電流密度從0.3905A/cm2升高到0.4907A/cm2，耗氫率從21.13g/min升高到26.55g/min。

3.2.3 熱泵壓縮機轉(zhuǎn)速

夏季工況下熱泵壓縮機轉(zhuǎn)速對PEMFC-ASHP的影響規(guī)律如圖6所示。

圖6 夏季工況下熱泵壓縮機轉(zhuǎn)速對PEMFC-ASHP的影響規(guī)律

圖6（a）和圖6（b）為制冷工況下，壓縮機轉(zhuǎn)速對PEMFC-ASHP系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。在環(huán)境溫度不變的情況下，隨著熱泵壓縮機轉(zhuǎn)速的升高，熱泵系統(tǒng)中制冷劑流速提高，因此熱泵系統(tǒng)制冷量和壓縮機耗功量升高。但制冷量的提高導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器和冷凝器的換熱負(fù)荷增加，換熱消耗惡化，進(jìn)一步造成熱泵系統(tǒng)COP的降低。隨著壓縮機轉(zhuǎn)速從800RPM升高到1800RPM，熱泵系統(tǒng)制冷量從49.96kW提升至94.06kW，增幅為88.27%。COP從3.965降低到2.785，降低了29.76%。此外，壓縮機耗功的增加，導(dǎo)致燃料電池的電流密度從0.2235 A/cm2增加到0.8972A/cm2，耗氣量從12.09g/min增加到48.54g/min。燃料電池?zé)峄厥障到y(tǒng)的供熱水量從29.97kW升高到40.19kW。

4 結(jié)語

本文建立了質(zhì)子交換膜燃料電池與空氣源熱泵的耦合（PEMFC-ASHP）穩(wěn)態(tài)仿真模型，研究了氣體壓力對PEMFC極化曲線和運行特性的影響規(guī)律，以及環(huán)境溫度和壓縮機轉(zhuǎn)速對PEMFC-ASHP系統(tǒng)的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，燃料電池供氣相對濕度的升高和熱泵壓縮機轉(zhuǎn)速的降低，有利于燃料電池輸出功率和效率的提升。在夏季制冷工況下，隨著環(huán)境溫度從20?C升高到40?C，制冷量降低8.8%，COP降低23%，但燃料電池的電流密度升高28.04%，耗氫率升高28.02%。在冬季制熱工況下，隨著環(huán)境溫度從-5?C升高到10?C，制熱量提升44.9%，COP提升22.2%，同時燃料電池的電流密度升高25.66%，耗氫率升高25.65%。