質子交換膜燃料電池建筑熱電聯供系統研究

摘 要

摘要：以60kW級質子交換膜燃料電池(PEMFC)建筑熱電聯供系統為例，分析了用戶電負荷及生活熱水負荷的變化規律，模擬了能量供需的匹配與運行模式，考察了不同季節、不同時段系統對用
摘要：以60kW級質子交換膜燃料電池(PEMFC)建筑熱電聯供系統為例，分析了用戶電負荷及生活熱水負荷的變化規律，模擬了能量供需的匹配與運行模式，考察了不同季節、不同時段系統對用戶熱電負荷的滿足情況及系統實現的效率，按擬定策略運行時燃料節約情況及二氧化碳和氮氧化物的減排效果。
關鍵詞：質子交換膜燃料電池；建筑熱電聯供系統；配置；運行模式；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
    建筑熱電聯供系統(BCHP)是解決建筑用能的有效手段，BCHP的原動機可以是內燃機、微型燃氣輪機、燃料電池等。燃料電池的發電方式不同于傳統的發電方式，是將燃料的化學能直接轉化為電能，具有較高的發電效率和熱電綜合效率，不受發電規模制約。以質子交換膜燃料電池(PEMFC)為例，1kW的PEMFC建筑熱電聯供系統供電效率可達30%以上，熱電綜合效率超過80%[1]。它解決了制造成本問題，在小發電容量領域，PEMFC與傳統內燃式原動機相比具有明顯的效率優勢與環境優勢，極具實用價值，正在被推向實用化市場[2]。
    BCHP在國內外得到了不同程度的發展與應用，優化系統配置和運行是該領域的一個研究方向[3～5]。PEMFC建筑熱電聯供系統較高的效率在應用中能否實現，還有賴于與用戶用能負荷的良好匹配及合理的運行策略，PEMFC建筑聯供系統的供能方式是PEMFC商業化進程中必須關注的問題。本文通過分析建筑用能和PEMFC熱電聯供系統的特性，針對用戶需求配置PEMFC建筑熱電聯供系統，模擬系統的運行情況，對系統性能進行分析。
2 建筑用能與PEMFC熱電聯供系統特性
    PEMFC建筑熱電聯供系統除產生凈交流電向用戶供應電力外，還產生60℃的熱水，可以作為用戶生活熱水，因此PEMFC建筑熱電聯供系統的適宜用戶是有熱水需求的住宅或公共建筑。本文以北京市某賓館(建筑面積為3000m2)為例進行PEMFC建筑熱電聯供系統的應用分析。
2.1 用戶能耗特點
    表1為該賓館電力和生活熱水參數。圖1為賓館全年電負荷情況，涂黑區域的上邊界線表示極大值，下邊界線表示極小值。圖2、3為賓館冬、夏兩季典型日的電負荷與生活熱水熱負荷。由于生活熱水在冬季和過渡季比較穩定，隨著季節變化不大，因此以冬季典型日負荷曲線代表冬季和過渡季生活熱水變化情況。
表1 賓館電力和生活熱水參數
項目
 
電
夏季
冬季
最大電負荷/kW
83.9
39.8
典型日電量/(kW·h)
1082.5
572.5
全年總電量/(kW·h)
264500
項目
生活熱水
夏季
冬季
最大熱負荷/kW
109.7
106.3
典型日熱量/(kW·h)
1080.0
784.7
全年總熱量/(kW·h)
395200
 

    賓館的電負荷具有季節性特點，夏季電負荷明顯高于冬季。賓館冬季典型日電負荷比較穩定，晚間用電負荷明顯增加；由于使用空調，夏季典型日電負荷比冬季增加近1倍。
    賓館冬季典型日生活熱水負荷有早晚2個明顯峰值，而夏季典型日有早中晚3個明顯峰值。冬、夏兩季晚間的峰值負荷持續時間都比較長。
2.2 PEMFC建筑熱電聯供系統供能特性
    筆者在文獻[1]中對PEMFC建筑熱電聯供系統性能進行了定量研究，現以同樣方法對30kW和60kw的PEMFC建筑熱電聯供系統性能進行計算，其結果列于表2。
表2 30kW和60kW的PEMFC建筑熱電聯供系統性能參數
項目
額定值
操作范圍
額定值
操作范圍
電池堆額定(直流)輸出功率/kW
30
60
系統(交流)輸出功率/kW
25.2
14.6～32.5
50.5
29.2～65.1
輸出熱流量/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
熱電比
1.63
1.28～2.11
1.63
1.28～2.11
供電效率/%
32.7
27.4～38.0
32.7
27.4～38.0
熱電效率/%
86.0
85.2～86.8
86.0
85.2～86.8
3 建筑熱電聯供系統的配置與運行方案
3.1 PEMFC建筑熱電聯供系統的配置
    賓館夏季峰值電力負荷為83.9kW，冬季峰值電力負荷為39.8kW，夏季峰值電力負荷約為冬季峰值電力負荷的2倍，且夏季典型日電量也約為冬季典型日電量的2倍；冬季與夏季生活熱水負荷的峰值大致相同，但是夏季典型日的生活熱水熱量約為冬季典型日的1.4倍。
    由于用戶電力負荷冬夏兩季差別較大，而PEMFC的最小負荷率約為50%，因此根據用戶負荷情況，該建筑熱電聯供系統初步配置2臺30kW的PEMFC電池堆，其靈活性要好于配置1臺60kW的PEMFC電池堆的系統。
3.2 PEMFC建筑熱電聯供系統運行模式
    根據用戶負荷特點，以不浪費余熱為原則，確定PEMFC建筑熱電聯供系統的運行模式為：
    ① 由于23:00—7:00時段沒有生活熱水負荷或生活熱水負荷較小，因此這一時段系統不運行。
    ② 為了保證產生的熱水不浪費，根據生活熱水負荷計算相應的發電量作為系統發電量的參考值。
    ③ 比較發電量參考值與用戶電負荷，按兩者之中的較小值確定系統的實際發電量。
    ④ 由于PEMFC建筑熱電聯供系統需達到額定容量50%以上負荷，系統才能啟動運行，因此應根據實際電負荷變化范圍，確定系統實際運行的電堆數。
    ⑤ 當PEMFC建筑熱電聯供系統不能滿足電負荷需求時，以電網為備用電源；當PEMFC建筑熱電聯供系統不能滿足生活熱水負荷需求時，采用輔助燃氣熱水器進行補燃供熱水；當PEMFC建筑熱電聯供系統產生的熱水富余時，蓄存在蓄熱罐中用于下一時段的生活熱水需求。
3.3 PEMFC建筑熱電聯供系統運行工況模擬
    圖4、5為冬、夏兩季典型日PEMFC建筑熱電聯供系統電力輸出情況。冬季典型日只運行1臺電池堆，PEMFC建筑聯供系統可以運行10h，分別在早高峰時段和晚高峰時段；在夏季典型日，有7 h左右可以2臺電池堆同時運行，有6h可以1臺電池堆運行。PEMFC建筑熱電聯供系統不運行時段，用戶從電網直接買電來滿足需求。
    圖6、7為冬、夏兩季典型日系統生活熱水負荷供應情況。在冬季典型日，由于系統夜間不運行，在早晚高峰時段，由補燃供熱水提供了大部分生活熱水負荷，蓄熱罐提供熱負荷較少；在夏季典型日，在早高峰時段，不足的生活熱水負荷也由補燃供熱水解決，10:00—20:00蓄熱罐有2個持續釋放熱量過程，這之后不足的生活熱水負荷由補燃供熱水解決，蓄熱罐如果再蓄存熱量則用于下一時段。

4 PEMFC建筑熱電聯供系統的評價
   ① 能效水平評價
   圖8、9為PEMFC建筑熱電聯供系統冬、夏兩季典型日的效率情況。在系統運行時，系統的供電效率大部分時間維持在30%～38%，熱電效率可達80%以上，夏季PEMFC建筑熱電聯供系統的使用率高于冬季。
 

    綜合分析系統全年的運行情況。當系統運行時，其全年的供電效率水平和熱效率水平見圖10、11，涂黑區域的上邊界線表示極大值，下邊界線表示極小值。可見，在系統運行時，6月—9月系統供電效率水平為20%～35%，熱效率水平為50%～64%，熱電效率水平為84%～85%；其余月份系統供電效率水平為28%～37%，熱效率水平為48%～54%，熱電效率水平為82%～85%。由于夏季電力緊張，PEMFC建筑熱電聯供系統不得已在低于系統最佳工作效率區運行，使得系統夏季供電效率較低、相應的熱效率較高，但熱電效率基本穩定。

   ② 節能性評價
   本文取基準方案為由電網供應電力、燃氣熱水器供應生活熱水。電網電力是天然氣發電，電廠供電效率取50%.電網輸配效率取90%，燃氣熱水器供熱效率取90%。
PEMFC建筑熱電聯供系統的節能率定義為滿足相同的電、熱水需求條件，PEMFC建筑熱電聯供系統比基準方案節約燃料量與基準方案消耗燃料最之比。PEMFC建筑熱電聯供系統在冬季工況和夏季工況的節能率見圖12、13。
 

    可見，用戶在運行PEMFC建筑熱電聯供系統期間的節能率為15%～35%，具有明顯的節能效果。當PEMFC建筑熱電聯供系統不運行時，電和熱水需求由基準方案滿足，PEMFC建筑熱電聯供系統的節能率為0。通過逐時模擬分析可得，PEMFC建筑熱電聯供系統全年總發電量為15.85×104kW·h，總供熱量為26.75×104kW·h，耗天然氣量為100.54×104m3，PEMFC建筑熱電聯供系統與基準方案相比，在運行工況下可節約燃料天然氣33.51×104m3。綜合考慮全年運行PEMFC建筑熱電聯供系統的情況，系統年平均節能率約為15%。
   ③ 減排效果評價
   基準方案的污染物排放指標取值見表3，表3中天然氣燃燒的數據是指燃燒單位天然氣(以熱量計)的污染物排放量，天然氣發電的數據是指單位發電量的污染物排放量。
表3 污染物排放指標取值kg/(kW·h)
 排放污染物
    C02
    N0x
 天然氣燃燒
    0.19
    0.15
 天然氣發電
    0.52
    0.17
   PEMFC建筑熱電聯供系統年C02和N0x減排量按下式計算：
  
圖14、15為PEMFC建筑熱電聯供系統全年的C02和N0x的減排情況，涂黑區域的上邊界線表示系統運行時的污染物減排量，下邊界線表示系統不運行時污染物減排量為0。PEMFC建筑熱電聯供系統在夏季的減排效果明顯，這是因為夏季有時是2臺電池堆同時運行。模擬計算結果為：PEMFC建筑熱電聯供系統與基準方案相比，全年可減排C02量為133.2t，減排N0x量為67.1t。

 
5 結論
    ① 對于PEMFC建筑熱電聯供系統，采用靈活的運行方式，系統可以在很大程度上滿足用戶的電和熱水需求。
    ② 由于用戶負荷的季節性和時變性，必須采用不同的運行策略，實現系統較高的效率和使用率。
    ③ PEMFC建筑熱電聯供系統效率高，實現了燃料的節約、C02及N0x的減排，社會效益和環境效益良好。
參考文獻：
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[5] 趙璽靈，鄒平華，段常貴，等.SOFC熱電聯供系統熱電性能調節方法研究[J].煤氣與熱力，2008，28(6)：B28-R31.
 
(本文作者：張興梅1 趙璽靈2 段常貴1 1.哈爾濱工業大學 市政環境工程學院 黑龍江哈爾濱 150090；2.清華大學 建筑技術科學系 北京 100084)