基于热水温度的家庭PEMFC-CHP系统运行策略研究

2015-06-19李晓嫣陈维荣刘志祥戴朝华陈前宇

电源技术 2015年3期

关键词：电联电堆冷却水

李晓嫣，陈维荣，刘志祥，戴朝华，陈前宇

(1.西南交通大学电气工程学院，四川成都610031；2.国网福建石狮市供电有限公司，福建泉州362700)

基于热水温度的家庭PEMFC-CHP系统运行策略研究

李晓嫣1,2，陈维荣1，刘志祥1，戴朝华1，陈前宇1

(1.西南交通大学电气工程学院，四川成都610031；2.国网福建石狮市供电有限公司，福建泉州362700)

微型燃料电池热电联供系统作为一种清洁的家用发电设备，在供应家庭用电的同时，可以提供家用生活热水，具有很高的综合能源利用效率，因此受到世界各国的高度重视。开展热电联供(CHP)系统的模型研究，对实际系统的构建具有较高的参考价值。在Matlab/Simulink平台上搭建了家用质子交换膜燃料电池热电联供系统(PEMFC-CHP)模型，针对该系统中水冷式燃料电池的散热特性直接受用户侧热水器水温影响的特点，提出了一种基于热水温度的热电联供运行方案。采用该方案，以满足热需求为目标，通过参考模拟家庭用户一天的用电及用热工况，分析了该系统在可变负载下的动态性能，计算了系统发电上网的净电量。仿真结果表明，采用该方案不仅可以达到满足居民日常热需求的目标，同时可以满足部分电需求，节省能耗。

热电联供；质子交换膜燃料电池；热管理

与传统热电联产系统相比，基于燃料电池的热电联供(CHP)系统具有较高的综合效率、良好的部分负荷特性以及零污染排放等优势，近年来受到了高度重视[1]。热电联供系统的运行方案对系统的性能及效率有着重要影响。已有的CHP系统运行策略主要有热跟随策略与电跟随策略[2]。对于热跟随策略，大部分文献仅从热功率的角度对系统进行说明，而未反映热水器的实时温度[3-4]。然而，热电联供系统的关键是利用燃料电池发电时提供的废热，系统中水箱的温度与燃料电池的工作状态密切相关。针对以上问题，本文在质子交换膜燃料电池热电联供系统热管理方案的设计中考虑到热水温度对PEMFC热管理系统的影响，提出了一种根据进入电堆的冷却水水温实时控制燃料电池系统输出功率的控制策略，实现了系统仿真。仿真时以1.3 kW-PEMFC电堆为研究对象，以满足热负荷需求为基本目标，通过参考一个家庭一天中的用热及用电情况运行该系统，同时计算了一天内馈入电网的净电量。

1 PEMFC-CHP系统模型

1.1 燃料电池模型

质子交换膜燃料电池模型包括燃料电池电压、功率等动态模型，具体模型方程参见本课题组前期研究结果[5-6]。

1.2 PEMFC电堆温度管理

1.2.1 电堆入口流体参数

设气体入口温度为in，系统过量系数为，加湿度

=100%，氧气在空气中的体积分数为0.21，则入口空气的质量流量为：

入口加湿用水的质量流量为：

式中：定义为气体的湿度参数，表示为：1.2.2电堆出口流体参数

电堆出口的氧气与氮气的质量流量分别为：

电堆出口的水有电堆入口加湿水和反应生成的水两种来源，电堆出口饱和蒸气的质量流量为：

反应气体的对流换热量为：

式中：min{v,in,v,out,sat}是两者中的最小值，表示水蒸气带走的热量。

1.2.3 系统热量平衡方程

根据能量守恒定律，忽略水的相变热，燃料电池系统满足以下瞬间平衡状态方程[7]：式中：st为电堆吸收热量，J；st为电堆的总质量，kg；p,st为电堆的平均比热，J/(kg·K)；st为电堆温度，K；tot为化学反应中释放的总功率，W；elec为负载消耗的功率，W；recovery为冷却系统回收热量，loss为电堆热量损失，gas为反应气体对流带走的热量，J。

单电池的理想电动势为1.481 V，因此反应释放的总功率为：假设电堆工作在绝热环境中，则：

假设冷却水入口温度为in，出口温度为out，冷却水从电堆带走的热量为[8]：由此计算得PEMFC的回收热量结果如图1所示。

1.3 热水存储器模型

设定热水器的容量为60 L，根据能量守恒定律，热水温度变化可以表示为：

式中：ht为热水的质量；p,ht为热水器平均比热；loss为水箱散热导致的热损失，取决于水箱和环境的温差以及水箱的物理因素，按经验公式表示为：

图1 燃料电池回收热量计算

2 CHP系统热管理方案研究

2.1 热管理方案

热管理过程采用冷却水循环吸收电堆内产生的热量，如图2所示，冷却水通过换热器给储水箱供热，假设冷却水离开换热器出口的温度与水箱水温ht一致，则冷却水通过不断重复由电堆吸热升温到进入水箱换热降温的过程来达到回收热量的目的。

图2 燃料电池热管理示意图

根据Ferguson的假设，只要冷却水和电堆之间满足最小温差△min(这里假设最小温差为10 K，电堆工作温度恒为343 K)，冷却水就可以带走电堆的全部热量。假设冷却水出口温度out与电堆温度一致，则冷却水能从电堆带走的最大热量为：

式中：cw为冷却水的质量流量，kg/s；p,cw为冷却水的比热容，J/(kg·K)；cw,in为冷却水入口质量流量。

根据公式(13)，当冷却水与电堆的温度不满足最小温差时，由于冷却水最大流量的限制，冷却水无法带走电堆产生的全部热量，通常的散热方式是采用辅助散热器，然而辅助散热器的增加不仅提高了成本，还浪费了电堆产生的热量。为此，本文提出一种以热量为核心的热电联供系统运行方式，该方案采用基于冷却水与电堆温差的热管理策略，不仅可以满足日常用热的要求，又能实现电堆热量的完全回收。该策略分4种情况执行不同的任务，如式(14)，即：

(1)当热水温度低于333 K时，燃料电池以额定功率运行，对水进行加热；

(2)加热过程中，当热水温度与电堆温差小于最小温差(10 K)时，降低燃料电池系统输出功率以减小燃料电池的热输出，如图3；

(3)当热水温度高于343 K时，燃料电池停止运行；

(4)燃料电池停止运行后，热水由于与环境的热传递或者用户用水而导致降温，当热水温度低于333 K时，重新启动燃料电池，重复过程(1)。

图3 加热过程热管理方案

2.2 方案模拟

以某个时间段(6 h)内的系统运行情况为例详细说明该热管理方案的运行过程，如图4所示，系统在第2 h的某段时间有4 kW的功率需求。假设热水的初始温度为313 K，则热水器运行有5个过程：

(1)0-A：系统以最大功率输出对热水加热；

(2)A-B：温度高于333 K，调节系统输出，缓慢加热；

(3)B-C：由于有热负荷的需求，热水温度以较快的速度下降；

(4)C-D：由于热水器与环境之间存在散热，热水缓慢降温直到333 K；

(5)D-E：重复A-B段加热过程，直到升温至343 K，系统停止运行。

图4 热管理方案模拟

3 系统运行

本文模拟了一个家庭一天的电热需求的工况，如图5所示。采用上述运行策略，产生的电能供给用户，多余的并入电网中，最后以馈入电网的电量为正，从电网输出的电量为负计算了系统一天馈入电网的净电量[9]。

图5某家庭一天电热需求工况模拟

图6 表示热水温度的变化，对于有热水需求的时刻，由于燃料电池的功率等级限制，燃料输出热量远小于用户热量需求，此时水温会发生较大波动，但在一天的运行中，水温能够保持在313 K以上(即人体最佳沐浴温度)，满足用户的用热需求。同时，家庭与电网间进行电能的传输，如图7所示，电量为正表示热电联供系统发电上网，为负则表示电网补充家庭用电的不足。该系统一天内产生的电能为10.6 kWh，产生的热能为14 kWh。

图6 热水器水温变化

图7 家庭与电网之间的电量传输

4 结论

通过PEMFC热电联供系统的模拟仿真可以看出，采用基于冷却水与电堆温差的热管理方案对该系统进行热管理，不仅可以保障用户的日常生活用水需求，还可以补充日常生活用电；同时将多余的电能馈入电网，可以达到为家庭增收的目的。该方案的提出对于实际热电联供方案的研究提供了参考，具有理论和实际意义。

[1]POKOJSKI M.The first demonstration of the 250-kW polymer electrolyte fuel cell for stationary application(Berlin)[J].Journal of Power Sources,2000,86:140-144.

[2]赵玺灵.固体氧化物燃料电池建筑热电联供系统的性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

[3]BARELLI L,BIDINI G,GALLORINI F,et al.Dynamic analysis of PEMFC-based CHP systems for domestic application[J].Applied Energy,2012,91:13-28.

[4]FERGUSON A,UGURSAL V I.Fuel cell model for building cogeneration applications[J].Journal of Power Sources,2004,137(1): 30-42.

[5]陈维荣,张瀚月,李奇.质子交换膜燃料电池综合动态模型分析[J].西南交通大学学报,2012,47(6):1003-1008.

[6]李奇,陈维荣,贾俊波,等.质子交换膜燃料电池建模及其PID控制[J].电源技术,2008,32(9):592-595.

[7]JUNG S H,KIM S L,KIM M S,et al.Experimental study of gas humidification with injectors for automotive PEM fuel cell systems[J]. Journal of Power Sources,2007,170:324-333.

[8]GOU B,NA W K,DIONG B.Fuel cells modeling,control and applications[M].American:Taylor and Francis Group CRC Press,2010.

[9]ZHANG Y Y,YU Q C,CAO G Y,et al.Research on a simulated 60 kW PEMFC cogeneration system for domestic application[J].Journal of Zhejiang University Science,2006,7(3):450-457.

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

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