太陽(yáng)能耦合燃料電池聯(lián)供系統(tǒng)余熱回收的運(yùn)行參數(shù)模擬研究

張 濤，韓吉田，于澤庭，劉 洋

太陽(yáng)能耦合燃料電池聯(lián)供系統(tǒng)余熱回收的運(yùn)行參數(shù)模擬研究

張 濤1,2，韓吉田1，于澤庭1，劉 洋1

（1. 山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；2. 山東省泰安市中心醫(yī)院，泰安 271000）

該文將太陽(yáng)能與燃料電池相結(jié)合，構(gòu)建太陽(yáng)能耦合質(zhì)子交換膜燃料電池的聯(lián)供系統(tǒng)（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）。試驗(yàn)與仿真研究太陽(yáng)能耦合質(zhì)子交換膜燃料電池聯(lián)供系統(tǒng)余熱回收的運(yùn)行參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在低溫太陽(yáng)能集熱器/空氣源熱泵熱水系統(tǒng)中，儲(chǔ)熱水箱平均溫度為45.55 ℃，熱泵運(yùn)行溫度設(shè)定為40～45 ℃。仿真結(jié)果表明：增加PEMFC電堆單電池個(gè)數(shù)及氫氣燃料分壓力，可有效提高PEMFC電堆輸出電壓。提高PEMFC電堆的輸出電壓及電流的同時(shí)，電堆的運(yùn)行溫度隨之降低，同時(shí)也相應(yīng)的延長(zhǎng)了PEMFC電堆的啟動(dòng)時(shí)間。PEMFC電堆循環(huán)冷卻水進(jìn)出口溫度為45～55 ℃，當(dāng)PEMFC電堆循環(huán)冷卻水進(jìn)出口溫度為50～55℃時(shí)，太陽(yáng)能冷卻水進(jìn)出口溫度為40～45 ℃，PEMFC電堆的運(yùn)行溫度為80.47 ℃，氫氣反應(yīng)速率為0.015 4 mol/s，板式換熱器熱效率的合理區(qū)間為0.5～0.9。試驗(yàn)及仿真研究結(jié)果表明，40～45 ℃的低溫太陽(yáng)能集熱器/空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，可連續(xù)不斷地吸收PEMFC循環(huán)冷卻水熱量，確保聯(lián)供系統(tǒng)正常運(yùn)行。

太陽(yáng)能；熱泵；燃料電池；板式換熱器；太陽(yáng)能冷卻水；仿真研究

0 引 言

太陽(yáng)能、氫能和余熱資源被認(rèn)為是當(dāng)今社會(huì)主要的可再生能源，此3種能源不但能夠滿足社會(huì)能源載體的需求，而且能夠減少來(lái)自化石能源的二氧化碳排放量[1]。太陽(yáng)能雖然具有分散性、間歇性及隨機(jī)性等不利因素，但同時(shí)具有普遍、巨大、長(zhǎng)久及無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)[2]。充分利用太陽(yáng)能對(duì)于節(jié)約常規(guī)能源、保護(hù)環(huán)境具有極其重大的意義[3]。燃料電池是一種清潔高效的能源技術(shù)，在經(jīng)歷了一段時(shí)間的發(fā)展后，現(xiàn)已進(jìn)入商業(yè)開(kāi)發(fā)應(yīng)用階段，現(xiàn)有的每一種燃料電池技術(shù)均有其特有的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域[4]。PEMFC具有質(zhì)量輕及能流密度相對(duì)較高的特點(diǎn)，其可在低溫環(huán)境下運(yùn)行并獲得較高效率，現(xiàn)已成功應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)[5]。起初，工業(yè)余熱資源未被回收利用，造成不必要的浪費(fèi)，余熱回收不但能提供有效的能源途徑，而且能有效降低能源消耗[6-7]。由于可用太陽(yáng)能受到諸多限制，將太陽(yáng)能儲(chǔ)存于氫能并吸收燃料電池高溫余熱資源的太陽(yáng)能耦合質(zhì)子交換膜燃料電池聯(lián)供系統(tǒng)是解決這種問(wèn)題的途徑之一[8-9]。

中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所應(yīng)用光譜選擇性納米流體技術(shù)，提出了一種光伏發(fā)電和太陽(yáng)能合成氣燃料電池于一體的聚光太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)[10]。研究表明，太陽(yáng)光的紫外和紅外光譜帶通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)被吸收并轉(zhuǎn)化為太陽(yáng)合成氣，太陽(yáng)能合成氣通過(guò)固體氧化物燃料電池轉(zhuǎn)化為電能；可見(jiàn)光和近紅外太陽(yáng)光帶通過(guò)聚光器光伏陣列轉(zhuǎn)換成電能；在900 W/m2的太陽(yáng)直接輻射下，太陽(yáng)能發(fā)電效率有望達(dá)到31.5%。湖南科技學(xué)院應(yīng)用能源梯級(jí)利用技術(shù)，提出了一種聚光太陽(yáng)能集熱器耦合PEMFC冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)[11-12]。研究表明，太陽(yáng)能耦合PEMFC冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是可行的，降低運(yùn)行溫度，提高燃料的相對(duì)濕度及進(jìn)口壓力，可將系統(tǒng)（火用）效率提高至39.9%，全年減排溫室氣體1.82×107g。華中科技大學(xué)應(yīng)用有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)，提出了一種適用于家庭的太陽(yáng)能耦合PEMFC聯(lián)供系統(tǒng)[13-14]。研究表明，電流密度、太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度及環(huán)境溫度是聯(lián)供系統(tǒng)的主要影響因素，由于該系統(tǒng)具有設(shè)備利用率高、效率高、穩(wěn)定性好、噪聲低、排放低等優(yōu)點(diǎn)，因此具有良好的應(yīng)用前景。

法國(guó)學(xué)者應(yīng)用PEMFC反應(yīng)余氣以及燃燒室熱能，構(gòu)建了一種小型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)[15]。研究表明，與傳統(tǒng)的分布式能源系統(tǒng)相比較，PEMFC微網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)能效率有望達(dá)到35%，位于馬賽單戶(hù)住宅的最大節(jié)能率約為35%，位于雷恩單戶(hù)住宅的最低節(jié)能率約為32%。西班牙學(xué)者應(yīng)用固態(tài)碳技術(shù)，發(fā)明了一種太陽(yáng)能耦合燃料電池的集中熱發(fā)電系統(tǒng)，聚光太陽(yáng)能分解甲烷生成碳和氫氣，碳和氫氣供給燃料電池生成直流電[16]。研究表明，這種太陽(yáng)能耦合燃料電池的集中熱發(fā)電效率優(yōu)于單一的聚光太陽(yáng)能熱電廠效率。伊朗學(xué)者通過(guò)將儲(chǔ)氫技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電及PEMFC冷熱電的微網(wǎng)系統(tǒng)，提出了一種多目標(biāo)螢火蟲(chóng)算法，將不確定性參數(shù)混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為隨機(jī)混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題[17-18]。研究表明，通過(guò)多目標(biāo)螢火蟲(chóng)算法，可將電力市場(chǎng)價(jià)格、風(fēng)速、太陽(yáng)輻照度、PEMFC運(yùn)行參數(shù)等不確定性，協(xié)調(diào)統(tǒng)一為最優(yōu)調(diào)度狀態(tài)。

山東大學(xué)在低溫太陽(yáng)能集熱器研究的基礎(chǔ)上[19-20]，結(jié)合燃料電池聯(lián)供系統(tǒng)的相關(guān)研究[21]，構(gòu)建了太陽(yáng)能耦合PEMFC的聯(lián)供系統(tǒng)[8]，通過(guò)太陽(yáng)能試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了聯(lián)供系統(tǒng)的可行性[22]。本文根據(jù)太陽(yáng)能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，仿真研究PEMFC靜態(tài)影響因素，PEMFC動(dòng)態(tài)及太陽(yáng)能循環(huán)冷卻水運(yùn)行參數(shù)。

1 聯(lián)供系統(tǒng)及太陽(yáng)能試驗(yàn)

本節(jié)論述聯(lián)供系統(tǒng)的構(gòu)成、太陽(yáng)能試驗(yàn)裝置及太陽(yáng)能運(yùn)行參數(shù)，試驗(yàn)驗(yàn)證太陽(yáng)能余熱回收的可行性。

1.1 聯(lián)供系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，太陽(yáng)能耦合質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）熱電聯(lián)供系統(tǒng)由太陽(yáng)能氣象站、太陽(yáng)能光電/PEMFC、低溫太陽(yáng)能集熱器/空氣源熱泵熱水系統(tǒng)及PEMFC/板式換熱器構(gòu)成。

太陽(yáng)能電解水產(chǎn)生的氫氣和氧氣分別儲(chǔ)存在氫氣儲(chǔ)罐和氧氣儲(chǔ)罐中，氫氣和氧氣經(jīng)過(guò)PEMFC發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生直流電能。空氣源熱泵控制溫度設(shè)定為40～45 ℃，維持儲(chǔ)熱水箱內(nèi)溫度為40～45 ℃。太陽(yáng)能熱水流經(jīng)板式換熱器時(shí)，吸收熱量水溫上升后，儲(chǔ)存在水箱內(nèi)部供給用戶(hù)使用。

圖1 太陽(yáng)能耦合PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

1.2 太陽(yáng)能試驗(yàn)裝置

根據(jù)熱電聯(lián)供系統(tǒng)中太陽(yáng)能余熱回收的特點(diǎn)，搭建太陽(yáng)能氣象站及低溫太陽(yáng)能集熱器/空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，試驗(yàn)驗(yàn)證太陽(yáng)能余熱回收的可行性。

如圖2所示，太陽(yáng)能氣象觀測(cè)站的室外儀器包括風(fēng)速風(fēng)向儀、溫度濕度儀、數(shù)據(jù)采集器、太陽(yáng)輻射表、數(shù)據(jù)采集線、儀器支架等設(shè)備；太陽(yáng)能氣象觀測(cè)站的室內(nèi)儀器包括太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)測(cè)試儀、測(cè)試軟件、測(cè)試主機(jī)、數(shù)據(jù)采集線等設(shè)備。

如圖3所示，低溫太陽(yáng)能集熱器/空氣源熱泵熱水系統(tǒng)主要分為3部分。第1部分為太陽(yáng)能集熱器加熱系統(tǒng)，當(dāng)日光充足時(shí)，生活用水經(jīng)太陽(yáng)能集熱器加熱溫度升高，試驗(yàn)裝置為太陽(yáng)能循環(huán)泵、橫雙排全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器。第2部分為空氣源熱泵系統(tǒng)，當(dāng)水箱內(nèi)水溫低于設(shè)定值時(shí)，空氣源系統(tǒng)啟動(dòng)，生活熱水吸收空氣熱能后溫度升高，試驗(yàn)裝置為空氣源熱水機(jī)組、循環(huán)水泵等輔助設(shè)備。第3部分為儲(chǔ)熱水箱，所有生活熱水均儲(chǔ)存在水箱內(nèi)部，儲(chǔ)熱和保溫是水箱的2個(gè)主要指標(biāo)。

a. 室外設(shè)備

a. Outdoor equipment

b. 室內(nèi)設(shè)備

b. Indoor equipment

1.太陽(yáng)輻射表 2.數(shù)據(jù)采集器 3.風(fēng)速風(fēng)向儀 4.溫度濕度儀 5.數(shù)據(jù)采集線 6.支架 7.太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)測(cè)試儀 8.測(cè)試軟件 9.數(shù)據(jù)采集線 10.測(cè)試主機(jī)

1.Solar radiation meter 2.Data collector 3.Wind speed and direction meter 4.Temperature and humidity meter 5.Data collection line 6.Support 7.Test meter of solar hot water system 8.Test software 9.Data collection line 10.Test mainframe

圖2 太陽(yáng)能氣象觀測(cè)站

Fig.2 Solar meteorological observe station

1.空氣源熱泵 2.熱水系統(tǒng)控制器 3.橫雙排全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器 4.太陽(yáng)能循環(huán)泵 5.太陽(yáng)能出水管 6.儲(chǔ)熱水箱 7.自來(lái)水補(bǔ)水管 8.空氣源循環(huán)水泵

2 仿真模型

本節(jié)應(yīng)用Matlab/Simulink仿真軟件，構(gòu)建PEMFC輸出電壓靜態(tài)仿真模型和太陽(yáng)能冷卻水動(dòng)態(tài)仿真模型[22]，仿真研究質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的影響因素，確定太陽(yáng)能余熱回收利用的運(yùn)行參數(shù)。

2.1 PEMFC輸出電壓

PEMFC電堆的輸出電壓如式（1）所示，輸出電壓Matlab/Simulink仿真模型如圖4所示。PEMFC輸出電壓仿真模型包括8個(gè)輸入變量，即燃料電池溫度、氫氣分壓力、氧氣分壓力、電池電流、交換膜有效面積、質(zhì)子交換膜的厚度、膜的等效接觸電阻、燃料電池工作狀態(tài)常數(shù)。7個(gè)變量，即4個(gè)活化過(guò)電壓經(jīng)驗(yàn)參數(shù)、質(zhì)子交換膜的水含量、最大電流密度、燃料電池電堆電池個(gè)數(shù)。5個(gè)子系統(tǒng)，即熱力學(xué)電動(dòng)勢(shì)、活化過(guò)電壓、歐姆電壓降、濃差過(guò)電壓、燃料電池電堆電壓。

式中為單電池的輸出電壓，V；為電池堆的輸出電壓，V；為電堆中單電池個(gè)數(shù)；為熱力學(xué)電動(dòng)勢(shì)，V；為活化過(guò)電壓，V；為歐姆電壓降，V；為濃差過(guò)電壓，V。

2.2 太陽(yáng)能冷卻水

PEMFC電堆能量方程如式（2）所示，太陽(yáng)能冷卻水Matlab/Simulink仿真模型如圖5所示。太陽(yáng)能冷卻水仿真模型包括12個(gè)輸入變量，即氫氣的摩爾反應(yīng)速率、參加反應(yīng)的氫氣的焓值、電堆的輸出電壓、電堆的熱容、電堆電流、電堆循環(huán)冷卻水入口溫度、電堆循環(huán)冷卻水出口溫度、電堆的導(dǎo)熱系數(shù)、電堆的對(duì)流換熱系數(shù)、板式換熱器冷卻水入口溫度、板式換熱器冷卻水出口溫度、板式換熱器效率。4個(gè)變量設(shè)定，即電堆循環(huán)冷卻水比熱容、板式換熱器冷卻水比熱容、電堆環(huán)境溫度、電堆熱阻。4個(gè)子系統(tǒng)，即電堆循環(huán)冷卻水熱功率系統(tǒng)、電堆對(duì)外輻射的熱功率系統(tǒng)、電堆循環(huán)冷卻水流量系統(tǒng)、板式換熱器冷卻水系統(tǒng)。4個(gè)仿真數(shù)據(jù)輸出端口，即電堆溫度輸出端口、電堆冷卻水熱功率輸出端口、電堆冷卻水流量輸出端口、板式換熱器冷卻水流量輸出端口。

式中為電堆的吸熱功率，J/s；為電堆熱容，J/℃；為進(jìn)入電堆的總功率，J；為電堆輸出的電功率，W；為冷卻水帶走的熱功率，W；為電堆對(duì)外輻射的熱功率，W。

3 PEMFC輸出電壓

本節(jié)應(yīng)用PEMFC輸出電壓靜態(tài)仿真模型，研究電堆電流、電堆溫度、燃料分壓力、燃料電池單體數(shù)量對(duì)PEMFC電堆輸出電壓的影響。

3.1 初始條件

假定PEMFC電堆處于穩(wěn)定的連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，仿真模型中的PEMFC電化學(xué)參數(shù)如表1所示。

3.2 電堆電流

PEMFC電堆輸出電壓、輸出功率數(shù)據(jù)變化如表2所示，電堆電流在0～20 A范圍內(nèi)，隨著電堆電流的增加，PEMFC電堆輸出電壓由零迅速升高至最大值；電堆電流在20～200 A范圍內(nèi)，隨著電堆電流升高，PEMFC電堆輸出電壓逐漸下降，但下降幅度僅為7.56 V，電堆輸出電壓趨向平穩(wěn)。電堆電流在0～200 A范圍內(nèi)，隨著電堆電流升高，PEMFC電堆輸出功率迅速升高，由零值升高至最大值6 824.20 W。

3.3 電堆溫度

PEMFC電堆溫度變化如圖6所示，PEMFC電堆溫度在293～373 K范圍內(nèi)，隨著電堆溫度升高，PEMFC電堆輸出電壓直線下降，由最大值降至最小值，PEMFC電堆輸出電壓最大降幅為10.67 V。

表1 PEMFC電化學(xué)參數(shù)

表2 PEMFC電堆輸出電壓、輸出功率

圖6 電堆溫度變化

3.4 燃料分壓力對(duì)電堆電壓的影響

燃料分壓力影響如圖7所示，隨著PEMFC氫氣分壓力的增加，氫氣分壓力在1.0～5.0 atm范圍內(nèi)，PEMFC電堆輸出電壓逐漸升高，最大增幅為0.83 V。隨著PEMFC氧氣分壓力的增加，氧氣分壓力在1.0～5.0 atm范圍內(nèi)，PEMFC電堆輸出電壓逐漸降低，最大降幅為1.01 V。

圖7 燃料分壓力對(duì)電堆電壓的影響

3.5 單電池?cái)?shù)量對(duì)電堆電壓的影響

單電池?cái)?shù)量影響如圖8所示，隨著PEMFC單電池?cái)?shù)量的增加，單電池?cái)?shù)量在1～50個(gè)范圍內(nèi)，PEMFC電堆輸出電壓直線升高，最大增值為51.11 V，增加串聯(lián)單電池?cái)?shù)量可有效提高PEMFC電堆輸出電壓。

圖8 單電池?cái)?shù)量對(duì)電堆電壓的影響

4 PEMFC電堆動(dòng)態(tài)仿真

本節(jié)應(yīng)用PEMFC電堆動(dòng)態(tài)仿真模型，研究電堆溫度、電堆循環(huán)冷卻水的熱功率、電堆循環(huán)冷卻水流量、換熱器冷卻水流量的變化規(guī)律。研究氫氣的摩爾反應(yīng)速率、電堆輸出電壓、電堆電流、電堆循環(huán)冷卻水進(jìn)出口溫度變化對(duì)電堆溫度及啟動(dòng)時(shí)間的影響。

4.1 初始條件

假定PEMFC電堆處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，電堆動(dòng)態(tài)仿真熱模型參數(shù)如表3所示。

表3 電堆動(dòng)態(tài)仿真熱模型參數(shù)

4.2 動(dòng)態(tài)仿真電堆溫度變化

動(dòng)態(tài)仿真電堆溫度變化如圖9所示，在0～1 000 s范圍內(nèi)，PEMFC電堆溫度的增幅最大。在1 000～4 000 s范圍內(nèi)，PEMFC電堆溫度的增幅最小。在4 000～5 000 s范圍內(nèi)，PEMFC電堆溫度沒(méi)有變化，此時(shí)PEMFC電堆溫度為80.07 ℃，PEMFC電堆溫度穩(wěn)定時(shí)刻為3 686.90 s。

圖9 動(dòng)態(tài)仿真電堆溫度變化

4.3 循環(huán)冷卻水熱功率

電堆循環(huán)冷卻水熱功率變化如圖10所示，在0～300 s范圍內(nèi)，PEMFC電堆循環(huán)冷卻水熱功率為0。在300～400 s范圍內(nèi)，電堆冷卻水熱功率由0增加至404.12 W，PEMFC電堆開(kāi)始啟動(dòng)。在400～2 600 s范圍內(nèi)，電堆冷卻水熱功率逐漸增加。在2 600～5 000 s范圍內(nèi)，電堆冷卻水熱功率趨于平穩(wěn)，此時(shí)PEMFC電堆冷卻水熱功率為1 532.60 W。

圖10 電堆循環(huán)冷卻水熱功率變化

4.4 冷卻水流量

動(dòng)態(tài)仿真冷卻水流量變化如圖11所示，PEMFC電堆循環(huán)冷卻水流量與板式換熱器冷卻水流量，均與電堆冷卻水熱功率相關(guān)，0～5 000 s動(dòng)態(tài)仿真范圍內(nèi)，冷卻水流量變化趨勢(shì)與循環(huán)冷卻水熱功率相同。在2 600～5 000 s范圍內(nèi)，冷卻水流量趨于平穩(wěn)，由于設(shè)定板式換熱器熱效率0.5的影響，板式換熱器冷卻水流量是電堆循環(huán)冷卻水流量的2倍。

圖11 動(dòng)態(tài)仿真冷卻水流量變化

4.5 氫氣反應(yīng)速率

隨著氫氣反應(yīng)速率的增加，PEMFC電堆啟動(dòng)時(shí)間呈下降趨勢(shì)，即電堆啟動(dòng)工作時(shí)間越來(lái)越短。但在0.016～0.017 mol/s和0.018～0.019 mol/s范圍內(nèi)，電堆啟動(dòng)時(shí)間相同。

PEMFC電堆溫度隨氫氣反應(yīng)速率的變化如圖12所示，隨著氫氣反應(yīng)速率的增加，處于穩(wěn)定狀態(tài)的PEMFC電堆溫度直線上升，即氫氣反應(yīng)速率的變化對(duì)PEMFC電堆溫度的影響最為明顯，合理控制氫氣反應(yīng)速率，可使PEMFC電堆處于最佳的工作狀態(tài)。

圖12 氫氣反應(yīng)速率

4.6 電堆電壓

電堆溫度隨電堆電壓的變化如圖13所示，隨著電堆輸出電壓的增加，PEMFC電堆啟動(dòng)時(shí)間呈上升趨勢(shì)，即電堆啟動(dòng)工作時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。在21.00～22.75 V范圍內(nèi)，電堆啟動(dòng)時(shí)間的差值為90.92 s，在24.50～28.00 V范圍內(nèi)，電堆啟動(dòng)時(shí)間的差值為11.32 s。隨著電堆輸出電壓的增加，處于穩(wěn)定狀態(tài)的PEMFC電堆溫度直線下降，在輸出電壓21.00～28.00 V范圍內(nèi)，PEMFC電堆溫度的下降值為17.15 ℃。

圖13 電堆溫度隨電堆電壓的變化

4.7 電堆電流

PEMFC電堆溫度隨電堆電流的變化如圖14所示，隨著電堆輸出電流的增加，在69.60～92.80 A范圍內(nèi)，電堆啟動(dòng)時(shí)間的差值僅為5.71 s，沒(méi)有明顯變化。但在92.80～162.40 A范圍內(nèi)，電堆啟動(dòng)時(shí)間的差值為358.77 s，上升趨勢(shì)較為明顯。隨著電堆電流的增加，處于穩(wěn)定狀態(tài)的PEMFC電堆溫度直線下降，在電堆電流69.60～162.40 A范圍內(nèi)，PEMFC電堆溫度的下降值為49.88 ℃。

圖14 電堆溫度隨電堆電流的變化

4.8 電堆溫度隨循環(huán)冷卻水溫度的變化

PEMFC電堆溫度隨循環(huán)冷卻水的變化如圖15所示，隨著循環(huán)冷卻水進(jìn)出口溫度的增加，在35/45℃范圍內(nèi)，電堆啟動(dòng)時(shí)間的下降值為18.74 s，即電堆能較早進(jìn)入工作狀態(tài)。但循環(huán)冷卻水進(jìn)出口溫度在45/55 ℃范圍內(nèi)，電堆啟動(dòng)時(shí)間的延后值為106.27 s。隨著循環(huán)冷卻水進(jìn)出口溫度的增加，處于穩(wěn)定狀態(tài)的PEMFC電堆溫度直線上升，當(dāng)循環(huán)冷卻水進(jìn)出口溫度為45/55 ℃時(shí)，PEMFC電堆溫度為88.23 ℃。

注：35/43為進(jìn)口溫度/出口溫度，依此類(lèi)推。

5 太陽(yáng)能冷卻水

本節(jié)應(yīng)用太陽(yáng)能冷卻水動(dòng)態(tài)仿真模型，匹配PEMFC電堆溫度、電堆循環(huán)冷卻水、太陽(yáng)能冷卻水的運(yùn)行參數(shù)，板式換熱器熱效率變化對(duì)PEMFC系統(tǒng)的影響。

5.1 運(yùn)行參數(shù)

根據(jù)太陽(yáng)能熱用戶(hù)需求熱水溫度的特點(diǎn)及太陽(yáng)能集熱器/空氣源熱泵的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)定太陽(yáng)能熱水溫度的變化區(qū)間為37～45 ℃。根據(jù)PEMFC電堆循環(huán)冷卻水的出口溫度低于55 ℃的要求，設(shè)定PEMFC電堆循環(huán)冷卻水的變化區(qū)間為45～55 ℃。根據(jù)溫度區(qū)間的設(shè)定，研究PEMFC電堆/板式換熱器的運(yùn)行參數(shù)。

電堆啟動(dòng)時(shí)間隨循環(huán)冷卻水進(jìn)出口溫度的變化如圖 16所示，當(dāng)PEMFC電堆循環(huán)冷卻水進(jìn)出口溫度為45/55 ℃及50/55 ℃時(shí)，PEMFC電堆的啟動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)，但2個(gè)區(qū)間的PEMFC電堆的啟動(dòng)時(shí)間僅相差0.38 s。當(dāng)PEMFC電堆循環(huán)冷卻水進(jìn)出口溫度為45/50 ℃時(shí)，PEMFC電堆的啟動(dòng)時(shí)間最短，比其他2個(gè)區(qū)間PEMFC電堆的啟動(dòng)時(shí)間提前99.86 s。

注：45/55為進(jìn)口溫度/出口溫度，依此類(lèi)推。

PEMFC電堆/板式換熱器的運(yùn)行參數(shù)如表4所示，當(dāng)PEMFC電堆循環(huán)冷卻水進(jìn)出口溫度分別為50、55 ℃時(shí)，PEMFC電堆的氫氣反應(yīng)速率最小，此時(shí)匹配的太陽(yáng)能冷卻水進(jìn)出口溫度分別為40、45 ℃，PEMFC電堆的運(yùn)行溫度為80.47 ℃，狀態(tài)3的數(shù)據(jù)均在合理區(qū)間。

表4 PEMFC電堆/板式換熱器的運(yùn)行參數(shù)

5.2 換熱器熱效率

根據(jù)PEMFC電堆狀態(tài)3的運(yùn)行參數(shù)，研究板式換熱器熱效率變化對(duì)太陽(yáng)能冷卻水流量和PEMFC電堆參數(shù)的影響。

太陽(yáng)能冷卻水流量隨換熱器熱效率變化如圖17所示，當(dāng)板式換熱器的熱效率在0.1～0.5范圍內(nèi)變化時(shí)，太陽(yáng)能冷卻水流量的下降幅度為0.41 kg/s。當(dāng)板式換熱器的熱效率在0.5～0.9范圍內(nèi)變化時(shí)，太陽(yáng)能冷卻水流量的下降幅度為0.04 kg/s。板式換熱器熱效率未對(duì)PEMFC電堆參數(shù)形成影響，板式換熱器熱效率的合理區(qū)間為0.5～0.9。

圖17 太陽(yáng)能冷卻水流量隨換熱器熱效率變化

5.3 可行性驗(yàn)證

根據(jù)太陽(yáng)能余熱回收的要求，主要測(cè)定全玻璃真空管集熱管、集熱器、熱水系統(tǒng)儲(chǔ)熱水箱、空氣源熱泵出口的溫度變化。為確保太陽(yáng)能參數(shù)的可靠性，試驗(yàn)選擇太陽(yáng)能環(huán)境最差的冬季晴天、陰天和雪天。如表5太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)所示，在太陽(yáng)能環(huán)境最差的冬季雪天測(cè)試時(shí)段內(nèi)，儲(chǔ)熱水箱內(nèi)部的平均溫度為45.55 ℃。由于晴天對(duì)熱水的使用量較大，循環(huán)水量也因此增加，導(dǎo)致晴天水箱的水溫較低。太陽(yáng)能循環(huán)冷卻水的仿真區(qū)間為35～65 ℃，確定太陽(yáng)能循環(huán)冷卻水進(jìn)出口的最優(yōu)參數(shù)為40～45 ℃，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)試驗(yàn)的溫度區(qū)間相吻合，試驗(yàn)驗(yàn)證了太陽(yáng)能循環(huán)冷卻水的可行性[23]。

表5 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié) 論

1）本文通過(guò)Matlab/simulink仿真模型，研究了太陽(yáng)質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）靜態(tài)影響因素，PEMFC動(dòng)態(tài)及太陽(yáng)能循環(huán)冷卻水運(yùn)行參數(shù)。研究結(jié)果表明，增加PEMFC電堆單電池個(gè)數(shù)及氫氣燃料分壓力，可有效提高PEMFC電堆輸出電壓。PEMFC電堆循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度為45 ℃，出口溫度為55 ℃，即PEMFC電堆循環(huán)冷卻水的出口溫度低于55 ℃。太陽(yáng)能冷卻水進(jìn)口溫度為40 ℃，出口溫度為45 ℃時(shí)，PEMFC電堆的運(yùn)行溫度為80.47 ℃，氫氣反應(yīng)速率為0.015 4 mol/s，板式換熱器熱效率的合理區(qū)間為0.5～0.9。太陽(yáng)能冷卻水進(jìn)出口仿真溫度與太陽(yáng)能冬季低溫條件下儲(chǔ)熱水箱的溫度變化相同。

2）試驗(yàn)及仿真研究結(jié)果表明，40～45 ℃的低溫太陽(yáng)能集熱器/空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，可連續(xù)不斷地吸收PEMFC循環(huán)冷卻水熱量，確保聯(lián)供系統(tǒng)正常運(yùn)行。

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Simulation of operation parameters for waste heat recovery of solar coupled fuel cell cogeneration system

Zhang Tao1,2, Han Jitian1, Yu Zeting1, Liu Yang1

(1.,,250061,; 2.,271000,)

In this paper, the solar coupled proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) cogeneration system was constructed by combining solar energy with fuel cell in order to realize multi-energy complementary utilization with storing solar energy in another energy source for user at night and cloudy day. The observation stations were set up to measure solar meteorological parameters day and night according to the test requirements of solar meteorological parameters in the heating and power cogeneration system. The test platform of low temperature solar collectors/air source heat pump hot water system was set up to study operation parameters of hot water system. The simulation models of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) and solar cooling water were established by using Matlab/Simulink simulation software. The simulation results showed that PEMFC stacks output voltage could be effectively raised by increasing the number of single cell and hydrogen partial pressure. PEMFC stacks operation temperature could be cut down by increasing the PEMFC stack output voltage and current but it also prolonged the PEMFC stack start-up time. The inlet and outlet temperature of circulation cooling water for PEMFC stacks was 45-55 ℃. When inlet and outlet temperature of circulation cooling water for PEMFC stacks was 50-55 ℃, the inlet and outlet temperature of solar cooling water was 40-45 ℃, the operation temperature for PEMFC stacks was 80.47 ℃, hydrogen reaction rate was 0.015 4 mol/s, and the reasonable range of heat efficiency in plate heat exchanger was 0.5-0.9. The experimental results showed that the average temperature of water tank was 45.55 ℃ and the operation temperature of the heat pump was 40 to 45 ℃ in low temperature solar collectors/air source heat pump hot water system. The variation interval of the total average temperature for the low temperature solar collectors/air source heat pump hot water system was 44.24 to 46.94 ℃ during the worst test period of solar energy environment in winter snow day. The feasibility of solar circulation cooling water was verified by experimental result that was accordance with circulation cooling water temperature interval of proton exchange membrane fuel cell. The study results of experiment and simulation showed that the low temperature solar collectors/air source heat pump hot water system which control temperature was 40-45 ℃,which can continuously absorb thermal energy of circulation cooling water in proton exchange membrane fuel cell and ensure the normal operation of cogeneration system.

solar energy; heat pump; fuel cell; plate heat exchanger; solar cooling water; simulation study

2018-11-07

2019-05-29

國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際(地區(qū))合作交流資助項(xiàng)目（41761144067）；泰安市2018年科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃（引導(dǎo)計(jì)劃）（2018GX0077）

張 濤，博士，主要從事太陽(yáng)能耦合燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的研究。Email：760662923@qq.com。

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.029

TK519

A

1002-6819(2019)-12-0239-09

張 濤，韓吉田，于澤庭，劉 洋. 太陽(yáng)能耦合燃料電池聯(lián)供系統(tǒng)余熱回收的運(yùn)行參數(shù)模擬研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(12)：239－247. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.029 http://www.tcsae.org

Zhang Tao, Han Jitian, Yu Zeting, Liu Yang. Simulation of operation parameters for waste heat recovery of solar coupled fuel cell cogeneration system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(12): 239－247. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.029 http://www.tcsae.org