關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）；熱電聯(lián)供系統(tǒng)；能量匹配；控制策略；測(cè)試驗(yàn)證

0 前言

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景［1］，目前國(guó)外PEMFC 熱電聯(lián)供系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始了商業(yè)化應(yīng)用［2］。其中，1990 年日本推出了Ene-Farm 項(xiàng)目［3］，2012 年歐盟啟動(dòng)了Ene-Field 項(xiàng)目［4］，韓國(guó)則致力于大型燃料電池電站的研發(fā)和建設(shè)［5］。

PEMFC 熱電聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)展正從實(shí)驗(yàn)室走向示范階段［6］?，F(xiàn)階段，針對(duì)熱電聯(lián)供系統(tǒng)的研究側(cè)重于電負(fù)荷跟隨控制策略或者熱負(fù)荷跟隨控制策略，不能同時(shí)滿足用戶電負(fù)荷和熱負(fù)荷的需求［7-10］；針對(duì)能量利用率的研究，則是在某種控制策略下，將電能和熱能利用率進(jìn)行綜合后得到粗略的結(jié)果［11-13］。目前，缺乏將熱電聯(lián)供系統(tǒng)作為獨(dú)立的供能系統(tǒng)，因此本文將熱電聯(lián)供系統(tǒng)作為獨(dú)立的供能設(shè)備，在系統(tǒng)不同運(yùn)行工況下，針對(duì)系統(tǒng)發(fā)電功率、產(chǎn)熱功率的輸出特性，以及用戶電負(fù)荷、熱負(fù)荷的用能特性，研究能量管理控制策略，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)電功率、產(chǎn)熱功率與用戶電負(fù)荷、熱負(fù)荷之間的能量有效匹配，從而滿足用戶的電負(fù)荷及熱負(fù)荷需求。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

10 kW 級(jí)PEMFC 熱電聯(lián)供系統(tǒng)由電堆、空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)（帶散熱器和板式換熱器）、電控系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)（帶儲(chǔ)熱水箱和加熱器）、蓄電池、直流/直流（DC/DC）模塊、直流/交流（DC/AC）模塊共同構(gòu)成。

考慮系統(tǒng)發(fā)電產(chǎn)熱特性及用戶不同季節(jié)用能需求特性，為了調(diào)節(jié)系統(tǒng)電功率與用戶電負(fù)荷的關(guān)系，采用蓄電池，其作用是調(diào)節(jié)電能的儲(chǔ)存或輸出；為了調(diào)節(jié)系統(tǒng)熱功率與用戶熱負(fù)荷的關(guān)系，采用儲(chǔ)熱水箱，其作用是將冷卻系統(tǒng)通過(guò)板式換熱器交換來(lái)的熱量以熱水的方式儲(chǔ)存；同時(shí)考慮產(chǎn)熱過(guò)多而儲(chǔ)熱水箱儲(chǔ)熱有限的情形，采用散熱器，其作用是即時(shí)地將多余的熱量排出；儲(chǔ)熱水箱內(nèi)加熱器的作用是電功率大于電負(fù)荷而熱功率小于熱負(fù)荷時(shí)，通過(guò)蓄電池供電給加熱器補(bǔ)充儲(chǔ)熱水箱的熱量。PEMFC 熱電聯(lián)供系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。

系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電能為用戶提供生活用電或者輸送到蓄電池儲(chǔ)存。當(dāng)電功率大于電負(fù)荷時(shí)，將多余的電能輸送到蓄電池儲(chǔ)存；當(dāng)電功率小于電負(fù)荷時(shí)，由蓄電池釋放電能補(bǔ)充供電。系統(tǒng)熱電耦合運(yùn)行時(shí)，電功率大于電負(fù)荷而熱功率小于熱負(fù)荷時(shí)，將多余的電能輸送到蓄電池儲(chǔ)存，并通過(guò)蓄電池將電能輸送給電加熱器轉(zhuǎn)化為熱能。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量傳遞給冷卻系統(tǒng)中的冷卻液，加熱后的冷卻液與余熱回收系統(tǒng)中冷卻液在板式換熱器中實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)。冷卻回路中的冷卻液經(jīng)板式換熱器降溫后在水泵1的驅(qū)動(dòng)下循環(huán)流入電堆，不斷地將系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量帶出。余熱回收系統(tǒng)中的冷卻水在水泵2 的作用下進(jìn)入板式換熱器升溫后流入儲(chǔ)熱水箱，與流入儲(chǔ)熱水箱的低溫自來(lái)水進(jìn)行熱傳導(dǎo)并將熱量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)熱水箱中。

2 系統(tǒng)工況

2. 1 系統(tǒng)發(fā)電功率與產(chǎn)熱功率特性

所選FCvelocity-9SSL 型燃料電池電堆在不同工作電流時(shí)對(duì)應(yīng)的PEMFC 熱電聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電功率和產(chǎn)熱功率見(jiàn)表1，其中定義K₁ 為PEMFC 熱電聯(lián)供系統(tǒng)產(chǎn)熱功率與發(fā)電功率之比。

2. 2 電負(fù)荷與熱負(fù)荷需求特點(diǎn)

以上海地區(qū)為例，居民四口之家年用能需求為：日常用電約4 400 kW·h，生活用熱水能量約2700kW·h［14］。分析系統(tǒng)不同運(yùn)行工況下的供能特點(diǎn)及用戶不同時(shí)間段的用能特點(diǎn)，選擇合適的控制策略進(jìn)行供需能量匹配調(diào)節(jié)，以滿足用戶的用能需求。選取居民晚上用能時(shí)段（20：00：00—21：00：00）進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證， 電負(fù)荷與熱負(fù)荷需求見(jiàn)表2。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)家庭熱負(fù)荷與電負(fù)荷需求高峰時(shí)段同步，日用能總量之比簡(jiǎn)化為功率比，定義K₂ 為PEMFC 熱電聯(lián)供系統(tǒng)熱負(fù)荷與電負(fù)荷功率之比。

3 PEMFC 熱電聯(lián)供系統(tǒng)控制策略

電堆運(yùn)行溫度為60～70 ℃ ，儲(chǔ)熱水箱溫度為40～55 ℃，可通過(guò)調(diào)節(jié)連通儲(chǔ)熱水箱水的溫度和自來(lái)水混合三通閥的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶所需溫度的熱水。在系統(tǒng)不同運(yùn)行工況下，需要確保電堆運(yùn)行時(shí)內(nèi)部溫度控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)電功率、產(chǎn)熱功率與用戶電負(fù)荷、熱負(fù)荷需求之間的能量供需匹配關(guān)系，同時(shí)滿足用戶獲得所需的電能和合適的溫度用水，并盡可能提高氫氣利用率。

3. 1 熱負(fù)荷跟隨控制策略

根據(jù)熱負(fù)荷需求實(shí)時(shí)對(duì)輸出產(chǎn)熱功率進(jìn)行跟隨調(diào)節(jié)，而對(duì)輸出電功率不做控制。當(dāng)K₂ 與K₁ 大小相近時(shí)選擇熱負(fù)荷跟隨控制策略：當(dāng)系統(tǒng)的電功率大于電負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)多余的電能輸往蓄電池儲(chǔ)存；當(dāng)系統(tǒng)電功率小于電負(fù)荷時(shí)，不足電負(fù)荷需求可通過(guò)蓄電池補(bǔ)充。熱負(fù)荷跟隨控制策略的流程如圖2所示。

3. 2 電負(fù)荷跟隨控制策略

根據(jù)電負(fù)荷功率消耗實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)輸出電功率進(jìn)行跟隨調(diào)節(jié)，而對(duì)系統(tǒng)輸出熱功率不做控制。當(dāng)K₂ 遠(yuǎn)小于K₁ 時(shí)采用電負(fù)荷跟隨控制策略，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)熱功率大于熱負(fù)荷需求時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能通過(guò)板式換熱器在余熱回收系統(tǒng)中循環(huán)進(jìn)入儲(chǔ)熱水箱儲(chǔ)存；隨著儲(chǔ)熱水箱溫度不斷升高，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定上限值時(shí)（關(guān)注T₃ 上限溫度，T₃≤55 ℃），系統(tǒng)需切換至散熱模式。電負(fù)荷跟隨控制策略流程如圖3所示。

3. 3 熱電耦合控制策略

根據(jù)能量守恒定律，系統(tǒng)發(fā)電與產(chǎn)熱功率之和等于用戶電負(fù)荷與熱負(fù)荷之和。系統(tǒng)不同運(yùn)行工況下，當(dāng)K₂ 遠(yuǎn)大于K₁ 時(shí)系統(tǒng)采用熱電耦合控制策略。在儲(chǔ)熱水箱中增加了電加熱器，可將多余的電能通過(guò)電加熱器轉(zhuǎn)化為熱能作為補(bǔ)充滿足熱負(fù)荷需求。熱電耦合控制策略流程如圖4 所示。

4 測(cè)試驗(yàn)證

當(dāng)PEMFC 熱電聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)的性能調(diào)試和測(cè)試，其輸出特性如表3 和圖5 所示。

4. 1 熱負(fù)荷跟隨控制策略

春秋季時(shí)，K₂ 與K₁ 大小相近，選擇熱負(fù)荷跟隨控制策略驗(yàn)證。選取20：00：00—21：00：00 用能時(shí)段，電負(fù)荷需求為5 kW·h，熱負(fù)荷需求為4 kW·h，K₁=0.57，K₂=0.64。熱電聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)測(cè)試電堆和水箱溫度見(jiàn)表4，系統(tǒng)發(fā)電功率和產(chǎn)熱功率與時(shí)間的關(guān)系特性如圖6 所示。

選擇熱負(fù)荷跟隨控制策略，根據(jù)儲(chǔ)熱水箱的溫度控制電堆運(yùn)行時(shí)的電流來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的發(fā)熱功率。電堆運(yùn)行時(shí)的電流分別為：0～1200 s 時(shí)段，電流為50 A；1200～2400 s 時(shí)段，電流為90 A；2400～3600 s 時(shí)段，電流為130A。

由表4 和圖6 可知：在居民用能區(qū)間時(shí)段內(nèi)，選擇熱負(fù)荷跟隨控制策略，熱電聯(lián)供系統(tǒng)產(chǎn)熱3.2 kW·h，發(fā)電5.19 kW·h，能夠滿足用戶電負(fù)荷為5.0 kW·h、熱負(fù)荷為3.2 kW·h 的用能需求，系統(tǒng)的能量利用率為79.23%。

4. 2 電負(fù)荷跟隨控制策略

在夏季，當(dāng)K₂ 遠(yuǎn)小于K₁ 時(shí)，選擇電負(fù)荷跟隨控制策略進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。選取20：00：00—21：00：00用能時(shí)段，電負(fù)荷需求為7.5 kW·h，熱負(fù)荷需求為2.6 kW·h，K₁=0.81，K₂=0.35。熱電聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)測(cè)試電堆和水箱溫度見(jiàn)表5，系統(tǒng)發(fā)電功率和產(chǎn)熱功率與時(shí)間的關(guān)系特性如圖7 所示。

選擇電負(fù)荷跟隨控制策略，根據(jù)蓄電池電量控制電堆運(yùn)行時(shí)的電流來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的發(fā)電功率。電堆運(yùn)行時(shí)的電流分別為：0～1200 s 時(shí)段，電流為90 A；1200～2400 s時(shí)段，電流為130 A；2400～3600 s 時(shí)段，電流為170 A。

由表5 和圖7 可知：在居民用能區(qū)間時(shí)段內(nèi)，選擇電負(fù)荷跟隨控制策略，熱電聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電7.28 kW·h，產(chǎn)熱6.21 kW·h，能夠滿足用戶在該區(qū)間時(shí)段內(nèi)的用能需求（電負(fù)荷為7.2 kW·h，熱負(fù)荷為2.6 kW·h），并且將多余的產(chǎn)熱通過(guò)冷卻系統(tǒng)的散熱風(fēng)扇排出，系統(tǒng)能量利用率為63.47%。

4. 3 熱電耦合控制策略

在冬季，當(dāng)K₂ 遠(yuǎn)大于K1 時(shí)，選擇熱電耦合控制策略進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。選取20：00：00—21：00：00 用能時(shí)段，電負(fù)荷需求為5.0 kW·h，熱負(fù)荷需求為6.6 kW·h，電負(fù)荷與熱負(fù)荷需求總量約為10.8 kW·h，K₂=1.32，K₁=0.65。熱電聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)測(cè)試電堆和水箱溫度見(jiàn)表6，系統(tǒng)發(fā)電功率和產(chǎn)熱功率與時(shí)間的關(guān)系特性如圖8 所示。

選擇熱電耦合控制策略，根據(jù)蓄電池電量及儲(chǔ)熱水箱的溫度來(lái)判斷電負(fù)荷和熱負(fù)荷總功率需求，從而控制電堆運(yùn)行時(shí)的電流來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行工況。電堆運(yùn)行時(shí)的電流分別為：0～1 200 s 時(shí)段，電流為30 A；1200～2400 s 時(shí)段，電流為110 A；2400～3600 s 時(shí)段，電流為210 A。

由表6和圖8可知：在居民用能區(qū)間時(shí)段內(nèi)，選擇熱電偶和控制策略，熱電聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電6.04 kW·h，產(chǎn)熱4.8 kW·h，能夠滿足用戶在該區(qū)間時(shí)段內(nèi)的用能需求（電負(fù)荷為5.0 kW·h，熱負(fù)荷為5.8 kW·h），產(chǎn)生多余的電量通過(guò)儲(chǔ)熱水箱加熱器轉(zhuǎn)換為熱能，系統(tǒng)的能量利用率為78.25%。

5結(jié)語(yǔ)

本文將PEMFC 熱電聯(lián)供系統(tǒng)作為獨(dú)立供能設(shè)備，基于電堆運(yùn)行時(shí)溫度控制目標(biāo)（60～70 ℃）及儲(chǔ)熱水箱溫度控制目標(biāo)（40～55 ℃），在系統(tǒng)不同運(yùn)行工況下，研究熱電聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電功率、產(chǎn)熱功率與用戶電負(fù)荷、熱負(fù)荷需求之間的能量匹配關(guān)系，并提出合理的運(yùn)行控制策略，從而滿足用戶獲得所需的電能和合適的溫度用水。選取20：00：00—21：00：00用能時(shí)段進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了所選擇的控制策略的可行性，同時(shí)盡可能地提升了系統(tǒng)地能量利用率。