质子交换膜燃料电池建筑热电联供系统研究

摘 要

摘要：以60kW级质子交换膜燃料电池(PEMFC)建筑热电联供系统为例，分析了用户电负荷及生活热水负荷的变化规律，模拟了能量供需的匹配与运行模式，考察了不同季节、不同时段系统对用
摘要：以60kW级质子交换膜燃料电池(PEMFC)建筑热电联供系统为例，分析了用户电负荷及生活热水负荷的变化规律，模拟了能量供需的匹配与运行模式，考察了不同季节、不同时段系统对用户热电负荷的满足情况及系统实现的效率，按拟定策略运行时燃料节约情况及二氧化碳和氮氧化物的减排效果。
关键词：质子交换膜燃料电池；建筑热电联供系统；配置；运行模式；效率
Study on Building Heat and Power Cogeneration System Based on PEMFC
ZHANG Xingmei，ZHAO Xiling，DUAN Changgui
Abstract：Taking a building heat and power cogeneration system based on 60kW proton exchange membrane fuel cell(PEMFC)for example，the variation rules of user electricity load and domestic hot water load are analyzed.The matching of energy demand and supply and the operation mode are simulated.The satisfaction at user heat and electricity loads by the system and the system realization efficiency in different seasons and periods of time，the fuel saving and emission reduction effect of carbon dioxide and nitrogen oxides during operation according to the drafted strategy are investigated.
Key words：proton exchange membrane fuel cell；building heat and power eogeneration system；configurati on；operation mode；efficiency
1 概述
    建筑热电联供系统(BCHP)是解决建筑用能的有效手段，BCHP的原动机可以是内燃机、微型燃气轮机、燃料电池等。燃料电池的发电方式不同于传统的发电方式，是将燃料的化学能直接转化为电能，具有较高的发电效率和热电综合效率，不受发电规模制约。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，1kW的PEMFC建筑热电联供系统供电效率可达30%以上，热电综合效率超过80%[1]。它解决了制造成本问题，在小发电容量领域，PEMFC与传统内燃式原动机相比具有明显的效率优势与环境优势，极具实用价值，正在被推向实用化市场[2]。
    BCHP在国内外得到了不同程度的发展与应用，优化系统配置和运行是该领域的一个研究方向[3～5]。PEMFC建筑热电联供系统较高的效率在应用中能否实现，还有赖于与用户用能负荷的良好匹配及合理的运行策略，PEMFC建筑联供系统的供能方式是PEMFC商业化进程中必须关注的问题。本文通过分析建筑用能和PEMFC热电联供系统的特性，针对用户需求配置PEMFC建筑热电联供系统，模拟系统的运行情况，对系统性能进行分析。
2 建筑用能与PEMFC热电联供系统特性
    PEMFC建筑热电联供系统除产生净交流电向用户供应电力外，还产生60℃的热水，可以作为用户生活热水，因此PEMFC建筑热电联供系统的适宜用户是有热水需求的住宅或公共建筑。本文以北京市某宾馆(建筑面积为3000m2)为例进行PEMFC建筑热电联供系统的应用分析。
2.1 用户能耗特点
    表1为该宾馆电力和生活热水参数。图1为宾馆全年电负荷情况，涂黑区域的上边界线表示极大值，下边界线表示极小值。图2、3为宾馆冬、夏两季典型日的电负荷与生活热水热负荷。由于生活热水在冬季和过渡季比较稳定，随着季节变化不大，因此以冬季典型日负荷曲线代表冬季和过渡季生活热水变化情况。
表1 宾馆电力和生活热水参数
项目
 
电
夏季
冬季
最大电负荷/kW
83.9
39.8
典型日电量/(kW·h)
1082.5
572.5
全年总电量/(kW·h)
264500
项目
生活热水
夏季
冬季
最大热负荷/kW
109.7
106.3
典型日热量/(kW·h)
1080.0
784.7
全年总热量/(kW·h)
395200
 

    宾馆的电负荷具有季节性特点，夏季电负荷明显高于冬季。宾馆冬季典型日电负荷比较稳定，晚间用电负荷明显增加；由于使用空调，夏季典型日电负荷比冬季增加近1倍。
    宾馆冬季典型日生活热水负荷有早晚2个明显峰值，而夏季典型日有早中晚3个明显峰值。冬、夏两季晚间的峰值负荷持续时间都比较长。
2.2 PEMFC建筑热电联供系统供能特性
    笔者在文献[1]中对PEMFC建筑热电联供系统性能进行了定量研究，现以同样方法对30kW和60kw的PEMFC建筑热电联供系统性能进行计算，其结果列于表2。
表2 30kW和60kW的PEMFC建筑热电联供系统性能参数
项目
额定值
操作范围
额定值
操作范围
电池堆额定(直流)输出功率/kW
30
60
系统(交流)输出功率/kW
25.2
14.6～32.5
50.5
29.2～65.1
输出热流量/kW
41.0
18.7～68.4
82.3
37.5～137.3
燃料消耗量/(mol·s-1)
0.10
0.05～0.16
0.20
0.10～0.31
热电比
1.63
1.28～2.11
1.63
1.28～2.11
供电效率/%
32.7
27.4～38.0
32.7
27.4～38.0
热电效率/%
86.0
85.2～86.8
86.0
85.2～86.8
3 建筑热电联供系统的配置与运行方案
3.1 PEMFC建筑热电联供系统的配置
    宾馆夏季峰值电力负荷为83.9kW，冬季峰值电力负荷为39.8kW，夏季峰值电力负荷约为冬季峰值电力负荷的2倍，且夏季典型日电量也约为冬季典型日电量的2倍；冬季与夏季生活热水负荷的峰值大致相同，但是夏季典型日的生活热水热量约为冬季典型日的1.4倍。
    由于用户电力负荷冬夏两季差别较大，而PEMFC的最小负荷率约为50%，因此根据用户负荷情况，该建筑热电联供系统初步配置2台30kW的PEMFC电池堆，其灵活性要好于配置1台60kW的PEMFC电池堆的系统。
3.2 PEMFC建筑热电联供系统运行模式
    根据用户负荷特点，以不浪费余热为原则，确定PEMFC建筑热电联供系统的运行模式为：
    ① 由于23:00—7:00时段没有生活热水负荷或生活热水负荷较小，因此这一时段系统不运行。
    ② 为了保证产生的热水不浪费，根据生活热水负荷计算相应的发电量作为系统发电量的参考值。
    ③ 比较发电量参考值与用户电负荷，按两者之中的较小值确定系统的实际发电量。
    ④ 由于PEMFC建筑热电联供系统需达到额定容量50%以上负荷，系统才能启动运行，因此应根据实际电负荷变化范围，确定系统实际运行的电堆数。
    ⑤ 当PEMFC建筑热电联供系统不能满足电负荷需求时，以电网为备用电源；当PEMFC建筑热电联供系统不能满足生活热水负荷需求时，采用辅助燃气热水器进行补燃供热水；当PEMFC建筑热电联供系统产生的热水富余时，蓄存在蓄热罐中用于下一时段的生活热水需求。
3.3 PEMFC建筑热电联供系统运行工况模拟
    图4、5为冬、夏两季典型日PEMFC建筑热电联供系统电力输出情况。冬季典型日只运行1台电池堆，PEMFC建筑联供系统可以运行10h，分别在早高峰时段和晚高峰时段；在夏季典型日，有7 h左右可以2台电池堆同时运行，有6h可以1台电池堆运行。PEMFC建筑热电联供系统不运行时段，用户从电网直接买电来满足需求。
    图6、7为冬、夏两季典型日系统生活热水负荷供应情况。在冬季典型日，由于系统夜间不运行，在早晚高峰时段，由补燃供热水提供了大部分生活热水负荷，蓄热罐提供热负荷较少；在夏季典型日，在早高峰时段，不足的生活热水负荷也由补燃供热水解决，10:00—20:00蓄热罐有2个持续释放热量过程，这之后不足的生活热水负荷由补燃供热水解决，蓄热罐如果再蓄存热量则用于下一时段。

4 PEMFC建筑热电联供系统的评价
   ① 能效水平评价
   图8、9为PEMFC建筑热电联供系统冬、夏两季典型日的效率情况。在系统运行时，系统的供电效率大部分时间维持在30%～38%，热电效率可达80%以上，夏季PEMFC建筑热电联供系统的使用率高于冬季。
 

    综合分析系统全年的运行情况。当系统运行时，其全年的供电效率水平和热效率水平见图10、11，涂黑区域的上边界线表示极大值，下边界线表示极小值。可见，在系统运行时，6月—9月系统供电效率水平为20%～35%，热效率水平为50%～64%，热电效率水平为84%～85%；其余月份系统供电效率水平为28%～37%，热效率水平为48%～54%，热电效率水平为82%～85%。由于夏季电力紧张，PEMFC建筑热电联供系统不得已在低于系统最佳工作效率区运行，使得系统夏季供电效率较低、相应的热效率较高，但热电效率基本稳定。

   ② 节能性评价
   本文取基准方案为由电网供应电力、燃气热水器供应生活热水。电网电力是天然气发电，电厂供电效率取50%.电网输配效率取90%，燃气热水器供热效率取90%。
PEMFC建筑热电联供系统的节能率定义为满足相同的电、热水需求条件，PEMFC建筑热电联供系统比基准方案节约燃料量与基准方案消耗燃料最之比。PEMFC建筑热电联供系统在冬季工况和夏季工况的节能率见图12、13。
 

    可见，用户在运行PEMFC建筑热电联供系统期间的节能率为15%～35%，具有明显的节能效果。当PEMFC建筑热电联供系统不运行时，电和热水需求由基准方案满足，PEMFC建筑热电联供系统的节能率为0。通过逐时模拟分析可得，PEMFC建筑热电联供系统全年总发电量为15.85×104kW·h，总供热量为26.75×104kW·h，耗天然气量为100.54×104m3，PEMFC建筑热电联供系统与基准方案相比，在运行工况下可节约燃料天然气33.51×104m3。综合考虑全年运行PEMFC建筑热电联供系统的情况，系统年平均节能率约为15%。
   ③ 减排效果评价
   基准方案的污染物排放指标取值见表3，表3中天然气燃烧的数据是指燃烧单位天然气(以热量计)的污染物排放量，天然气发电的数据是指单位发电量的污染物排放量。
表3 污染物排放指标取值kg/(kW·h)
 排放污染物
    C02
    N0x
 天然气燃烧
    0.19
    0.15
 天然气发电
    0.52
    0.17
   PEMFC建筑热电联供系统年C02和N0x减排量按下式计算：
  
图14、15为PEMFC建筑热电联供系统全年的C02和N0x的减排情况，涂黑区域的上边界线表示系统运行时的污染物减排量，下边界线表示系统不运行时污染物减排量为0。PEMFC建筑热电联供系统在夏季的减排效果明显，这是因为夏季有时是2台电池堆同时运行。模拟计算结果为：PEMFC建筑热电联供系统与基准方案相比，全年可减排C02量为133.2t，减排N0x量为67.1t。

 
5 结论
    ① 对于PEMFC建筑热电联供系统，采用灵活的运行方式，系统可以在很大程度上满足用户的电和热水需求。
    ② 由于用户负荷的季节性和时变性，必须采用不同的运行策略，实现系统较高的效率和使用率。
    ③ PEMFC建筑热电联供系统效率高，实现了燃料的节约、C02及N0x的减排，社会效益和环境效益良好。
参考文献：
[1] 张兴梅，赵玺灵，段常贵.质子交换膜燃料电池系统性能模拟[J].煤气与热力，2009，29(3)：B31-B35.
[2] 苏庆泉.日本在燃料电池发展方向的选择与我们的思考[J].新材料产业，2005(10)：56-61.
[3] ROOIJERS F J，VAN AMERONGEN R A M.Static economic dispatch for cogeneration systems[J].IEEE Transactions On Power Systems，1994(3)：1392-1398.
[4] GUO T，HENWOOD M I，VAN OOIJEN M.An algorithm for combined heat and power economic dispatch[J].IEEE Transactions on Power Systems，1996(4)：1778-1784.
[5] 赵玺灵，邹平华，段常贵，等.SOFC热电联供系统热电性能调节方法研究[J].煤气与热力，2008，28(6)：B28-R31.
 
(本文作者：张兴梅1 赵玺灵2 段常贵1 1.哈尔滨工业大学 市政环境工程学院 黑龙江哈尔滨 150090；2.清华大学 建筑技术科学系 北京 100084)