氫燃料電池耦合蒸汽壓縮式熱泵冷熱電聯供系統性能研究

國網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 南京工程學院 曹先齊

1 引言

碳中和被廣泛認為是解決全球變暖走向可持續發展的途徑。實現碳中和戰略的主要任務之一是實現從以化石能源為基礎的碳基電力系統轉為以可再生能源為基礎的零碳電力[1]。燃料電池將氫氣和氧氣的化學能直接轉換成電能，具有高效率、低排放的突出優勢。近年來，家用型燃料電池微型熱電聯供系統受到廣泛關注[2-4]。燃料電池系統發電效率可達到40%～60%，其余廢熱可用于供熱或生活熱水，整個系統能量利用效率可達90%[5]。

質子交換膜燃料電池與熱泵耦合系統（PEMFHP）結合了燃料電池和電熱泵的清潔和高效的優勢，極具發展潛力。有研究對比了三種熱泵技術與燃料電池構成的家用熱電聯供系統。結果表明“燃料電池+空氣源熱泵”系統在節約能耗和節省運行成本上最具優勢，同時搭配15.6kW蓄電池可滿足全年熱電負荷。研究了并網型家用“燃料電池+空氣源熱泵”熱電聯供系統的節能潛力，相比于常規電網供電+燃氣鍋爐供暖，系統節能44%。采用陰極開放式空冷質子交換膜燃料電池和熱泵復合式系統，電堆余熱直接用于給建筑供應熱風，熱泵COP為3.8，系統COP達4.09。設計了并網型“燃料電池+電熱泵”家庭冷熱聯供系統，系統按“以熱定電”模式運行。結果表明，燃料電池的平均效率為0.38，系統總效率達0.815。

2 原理和方法

2.1 原理和假設

質子交換膜燃料電池與空氣源熱泵的耦合系統（PEMFC-ASHP）原理如圖1所示。在此系統中，氫氣和空氣在燃料電池內發生化學反應產生電能和熱能，燃料電池產生的電能經變換器直接給熱泵系統的壓縮機供電。PEMFC的模型設計參數見表1，ASHP的模型設計參數見表2。

圖1 PEMFC-ASHP系統原理

表1 PEMFC的設計參數

表2 ASHP的設計參數

2.2 PEMFC模型

2.2.1 熱力學電壓

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

PEMFC電堆的功率密度、熱回收量、發電效率分別為：

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，模擬結果和試驗結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，陰極會產生較多的液態水，容易造成燃料電池“水淹”現象，導致氧氣到達催化劑參與反應的通道受阻，進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的影響規律

3.2 PEMFC-ASHP耦合型性能

3.2.1 夏季工況

夏季工況下環境溫度對PEMFC-ASHP的影響規律如圖4所示。

圖4 夏季工況下環境溫度對PEMFC-ASHP的影響規律

圖4（a）為夏季運行工況下，環境溫度對PEMFC-ASHP系統的制冷量、制冷COP的影響規律。隨著環境溫度的升高，熱泵制冷性能惡化，制冷量和COP都呈現降低趨勢。隨著環境溫度從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致熱泵壓縮機耗功率升高，因此燃料電池的輸出功率和產熱量升高，隨著環境溫度從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）為環境溫度對PEMFC-ASHP系統中燃料電池電流密度和耗氫率的影響規律。由上述分析可知，熱泵性能的惡化導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

冬季工況下環境溫度對PEMFC-ASHP的影響規律如圖5所示。

圖5 冬季工況下環境溫度對PEMFC-ASHP的影響規律

圖5（a）為冬季運行工況下，環境溫度對PEMFC-ASHP系統的制熱量、制熱COP的影響規律。由于環境溫度的升高，熱泵系統蒸發溫度升高，熱泵循環改善，制冷劑流量增加，從而熱泵制熱量和制熱性能COP都呈現升高趨勢。隨著環境溫度從-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）為環境溫度對PEMFC-ASHP系統中燃料電池電流密度和耗氫率的影響規律。由于熱泵循環改善和制冷劑流量增加，熱泵系統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 熱泵壓縮機轉速

夏季工況下熱泵壓縮機轉速對PEMFC-ASHP的影響規律如圖6所示。

圖6 夏季工況下熱泵壓縮機轉速對PEMFC-ASHP的影響規律

圖6（a）和圖6（b）為制冷工況下，壓縮機轉速對PEMFC-ASHP系統性能的影響規律。在環境溫度不變的情況下，隨著熱泵壓縮機轉速的升高，熱泵系統中制冷劑流速提高，因此熱泵系統制冷量和壓縮機耗功量升高。但制冷量的提高導致熱泵系統蒸發器和冷凝器的換熱負荷增加，換熱消耗惡化，進一步造成熱泵系統COP的降低。隨著壓縮機轉速從800RPM升高到1800RPM，熱泵系統制冷量從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。燃料電池熱回收系統的供熱水量從29.97kW升高到40.19kW。

4 結語

本文建立了質子交換膜燃料電池與空氣源熱泵的耦合（PEMFC-ASHP）穩態仿真模型，研究了氣體壓力對PEMFC極化曲線和運行特性的影響規律，以及環境溫度和壓縮機轉速對PEMFC-ASHP系統的影響規律。研究結果表明，燃料電池供氣相對濕度的升高和熱泵壓縮機轉速的降低，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%。