（制冷及低温工程专业论文）基于燃料电池的制冷与制热系统数值模拟.pdf

独创性声明 jiiir li l ffr li iji ill li y 1 7 8 8 7 2 1 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 日期： 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：妄垫圣日期： 1。一 摘 要 摘要 燃料电池作为一种新型能源系统，具有清洁、高效、变工况性能好、安静、 环境相容性好等特点，因此发展基于燃料电池的制冷与制热系统具有重要的意 义和广阔的应用前景。 电化学制冷是一种利用在电化学过程中伴随着吸热放热反应而制冷制热的 新型制冷方式。冷、热、电联产供能系统( c o m b i n e dc o o l i n gh e a t i n ga n dp o w e r , c c h p ) 是一种建立在能量的梯级利用概念基础之上，将制冷、供热及发电过程 集为一体的多联产总能系统，其较高的总能利用效率和环保性使得其成为提高 能源利用效率和降低污染物排放的重要手段之一。还可以大大提高能源系统的 安全性。 本论文首先介绍了电化学制冷系统和冷热电联供系统在国内外的发展状 况，介绍了基于燃料电池的电化学制冷系统和冷热电联供系统的研究和应用状 况。对基于燃料电池的电化学制冷制热系统和冷热电联供系统进行建模与仿真 研究，主要工作如下：在分析燃料电池电化学和热力学过程的基础上，建立了 质子交换膜燃料电池系统数学模型，进行了质子交换膜燃料电池系统动态效应 性能仿真。 阐述了基于质子交换膜燃料电池和电解池的制冷制热系统的工作原理。建 立了质子交换膜电解池的集总参数动态模型，和质子交换膜燃料电池数学模型 耦合成系统的动态模型。通过建立系统的动态模型，就能够研究主要运行参变 量对系统制冷制热动态输出性能和系统运行效率产生的影响。当系统的电流出 现阶跃变化时，对系统制冷制热系数、补偿电源输入电压、制冷制热量的动态 影响，进行了仿真和结果分析。并研究基于燃料电池和电解池的电化学制冷制 热系统的运行工况和其性能之间的关系。 在分析溴化锂吸收式制冷机的热力学过程的基础上，对溴化锂吸收式制冷 机进行了额定工况的参数确定，然后对溴化锂吸收式制冷机进行建模，而后建 立溴化锂吸收式制冷机的仿真模型，用m a t l a b 中的m 文件进行编程计算仿真。 分析了基于质子交换膜燃料电池冷热电联供系统的结构、运行方式、匹配、动 态特性等，确定了系统的结构布置和参数。 关键词冷热电联供系统；电化学制冷制热系统；溴化锂吸收式制冷机；质 子交换膜燃料电池；动态仿真 a b s t r a c t i i a b s t r a c t a san e wt y p eo fe n e r g ys y s t e m ，f u e lc e l li sc l e a n ，e f f i c i e n t , v a r i a b l ec o n d i t i o n s o fg o o dp e r f o r m a n c e , q u i e t , e n v i r o n m e n t a lc o m p a t i b i l i t ya n ds oo n s oi ti sa l w a y s i m p o r t a n ta n db r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t st ot h ed e v e l o p m e n to ff u e lc e l l b a s e d c o m b i n ec c h ps y s t e m e l e c t r o c h e m i c a lr e f r i g e r a t i o ni sb a s e do na b s o r b i n gh e a ta n dr e l e a s i n gh e a t e l e c t r o c h e m i c a li ne l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o np r o c e s s c o m b i n e dc o o l i n gh e a t i n ga n d p o w e ri s as y s t e mw h i c hi sb a s e do nt h ee n e r g yc a s c a d eu t i l i z a t i o n t h es y s t e m p r o v i d e sc o o l i n gh e a t i n ga n dp o w e rs i m u l t a n e o u s i th a sb e c o m eo n eo fi m p o r t a n t m e a n st oi n c r e a s ee n e r g ye f f i c i e n c ya n dr e d u c ep o l l u t a n te m i s s i o n sf o ri t sh i g ht o t a l e n c r g ye f f i c i e n c ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e se l e c t r o c h e m i s t r yr e f r i g e r a t i o na n dt h ec c h ps y s t e m d e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d ，a n dt h e ni n t r o d u c e st h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f t h ee l e c t r o c h e m i s t r yr e f i i g e r a t i o na n dt h ec c h pb a s e df u e lc e l lp o w e rs y s t e m f o r m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nt h ef u e lc e l l - b a s e dc c h ps y s t e m ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l s o fp e m f cs y s t e mw e r ee s t a b l i s h e db a s e do ne l e c t r i c a lc h e m i c a lr e a c t i o na n dt h e r m a l d y n a m i cp r o c e s s ，a n dt h el u m p e df u e l c e l ls i m u l a t i o nm o d e lw a sb u i l to nt h e s i m u l a t i o np l a n tf o r mo fm a n a b t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fp e m f cs y s t e mw a s i n v e s t i g a t e d a ne l e c t r o c h e m i c a lr e f r i g e r a t i o na n dh e a t i l l gc i r c u l a t i o ns y s t e mw h i c hb a s e do n p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e ( p e m ) f u e lc e l la n de l e c t r o l y t i cc e l lw a sp r e s e n t e d t h e w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h es y s t e mw a si l l u s t r a t e d t h el u m p e dp a r a m e t e rm o d e lo fa p e m f cs t a c ka n dap e me l e c t r o l y t i cc e l lh a v eb e e nd e v e l o p e da n dc o u p l e di n t oa s y s t e md y n a m i cm o d e lt oe v a l u a t eh o wt h em a j o ro p e r a t i n gv a r i a b l e sa f f e c tt h e d y n a m i co u t p u tp e r f o r m a n c e s a n dt h e s y s t e mo p e r a t i o ne f f i c i e n c y d y n a m i c s i m u l a t i o n sa n da n a l y s e sa r ep e r f o r m e df o rt h er e s p o n s eo fo p e r a t i o ne f f i c i e n c y , t h e i n p u tv o l t a g eo fc o m p e n s a t i n gp o w e rs u p p l y , h e a t i n ga n dr e f r i g e r a t i o nc a p a b i l i t yo f t h es y s t e m ，w h e nt h eo u t p u tc u r r e n to fas t a c ki sas t e pc h a n g e a n dt h eo p e r a t i n g c o n d i t i o n so ft h es y s t e mw a sd i s c u s s e d t h el i b ra b s o r p t i o nc h i l l e ru n d e rr a t e dc o n d i t i o nw a sp e r f o r m e db a s e do nl i b r a b s o r p t i o nc h i l l e r st h e r m a lp r o c e s s t h ec o m p o n e n tm o d e l so fl i b ra b s o r p t i o n c h i l l e rw e r eb u i l t , w h i c hi n c l u d e sh i 【g hp r e s s u r eg e n e r a t o r , l o wp r e s s u r eg e n e r a t o r , a b s o r b e r , e v a p o r a t o r , c o n d e n s e re t c l i b ra b s o r p t i o nc h i l l e r sm o d e lw a sc r e a t e d b a s e do na b o v ec o m p o n e n tm o d e l s t h ed y n a r n i ep e r f o r m a n c eo fl i b ra b s o r p t i o n i i i 北京t 业大学t 学硕十学位论文 c 1 1 i l l e rs y s t e mw a si n v e s t i g a t e d t h es i m u l a t i o nm o d e lo fc c h ps y s t e mw a s e s t a b l i s h e d ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fc c h ps y s t e r nw e r ed i s c u s s e d k e yw o r d sc c h p ；e l e c t r o c h e m i c a l r e f r i g e r a t i o n h e a t i n gc y c l e ；p e m f c ； d y n a m i cs i m u l a t i o n i v 彳面积，m ? b d u e m n g 因数 c 比热容，k j ( k g k ) c 传输延迟的时间常数 d 露点温度， g 重力加速度，n m 2 k g j i l 发生器出口和吸收器进口的高度差，m h 焓，k j k g ，- 溶液的比热，k j k g m ，m 质量流率，k g s m 质量，k g p 压力，p a q ，q 热流量，k w 厂蒸发焓，k j k g r 水蒸气气体常数，j k g r 韫度， f 时间，s u a 一传热系数，k w k x 镕液质量分数，k g s a l t k g s o l x 摩尔比例 v 北京工业大学r 学硕十学位论文 z 发生其中溶液高度，m 希腊字母 7 7 效率 p 密度，k 咖3 物理罱名称及符号表 p ，p c 定压 s 浓度高 s i m 模拟 s o l 溶液 s t 储存 s h x 溶液换热器 s g 浓溶液离开发生器管束 s a _ 浓溶液离开发生器进入吸收器 t 管 t b 管束 o u t 出口 v 水蒸汽 w 水，浓度低 w a 稀溶液离开吸收器管束 w g 稀溶液离开吸收器进入发生器 x 系统部件代号( x = a ，c ，e ，g ) v l l 北京工业大学工学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 物理量名称及符号表v 第1 章绪论1 1 1 本课题的研究背景1 1 1 1 燃料电池1 1 1 2 基于燃料电池的电化学制冷与制热系统2 1 1 3 基于燃料电池的冷热电联供系统3 1 2 基于燃料电池的制冷制热系统研究现状5 1 2 1 基于燃料电池的电化学制冷制热发展现状5 1 2 2 基于燃料电池的冷热电联供系统发展现状6 1 2 3 基于p e m f c 的热电冷联产系统研究现状7 1 2 4 基于m c f c 的热电冷联产系统9 1 2 5 基于s o f c 的热电冷联产系统1 0 1 3 基于燃料电池的制冷制热系统的研究进展1 2 1 3 1 静态模型的研究现状1 2 1 3 2 动态模型的研究现状1 5 1 4 本课题的主要工作1 6 第2 章质子交换膜燃料电池动态性能17 2 1 质子交换膜燃料电池1 7 2 1 1p e m 燃料电池单电池。1 7 2 1 2p e m 燃料电池电堆1 9 2 2p e m 燃料电池的动态性能模型1 9 2 2 1p e m f c 的动态性能模型研究现状1 9 2 2 2 模型的假设。2 0 2 2 3 燃料电池的电化学模型2 0 2 2 4 燃料电池的热力学模型。2 3 。2 2 5 燃料电池的质量守恒模型2 4 2 3p e m 燃料电池的动态性能模拟2 5 本章小结31 第3 章基于燃料电池和电解池的电化学制冷制热系统3 3 i x 北京下业大学工学硕士学位论文 3 1 系统的建模3 3 3 1 1 模型的假设3 4 3 1 2 电解池电化学模型3 4 3 1 3 电解池热力学模型3 5 3 1 4 换热器模型3 5 3 1 5 制冷制热系数3 6 3 2 系统的模拟分析3 6 3 2 1 电解池的模拟分析3 6 3 2 2 系统的性能模拟3 7 本章小结4 3 第4 章基于燃料电池的冷热电联供系统模拟分析4 5 4 1 吸收式制冷机的动态性能模拟4 5 4 1 1 吸收式制冷机动态模型的建立4 6 4 1 2 模型的假设4 7 4 1 3 动态性能模型的建立4 8 4 1 4 吸收式制冷机动态特性51 4 2 基于p e m f c 的冷热电联供系统的性能分析5 4 4 2 1 基于p e m f c 的冷热电联供系统建模5 4 4 2 2 基于p e m f c 的冷热电联供系统性能分析5 5 4 2 3 基于p e m f c 的冷热电联供系统启动性能分析5 7 本章小结6 0 结论6 1 参考文献6 3 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 9 致 谢71 x 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题的研究背景 随着我国经济的发展，能源的需求量也越来越大。国家能源局2 0 0 4 年底发 布的数据表明，我国能源消费量总量为1 3 8 6 亿吨油当量，增长1 5 1 1 ，占世界 能源消费量的1 3 5 6 ，居美国之后也是世界第二大能源消费国。2 0 0 4 年，从世 界范围来看，能源生产总量及增长率均高于能源消费总量及增长率；从中国来看 趋势相反，能源生产量及增长率均低于能源消费量及增长率。中国在能源消费增 长率上是世界唯一以两位数增长的国家且增加量最大。目前我国的能源结构以煤 为主，是煤炭消费大国。然而燃煤造成的环境问题日益明显，能源使用污染使国 家每年损失1 0 0 0 多亿，大规模不受节制的能源需求将导致不可接受的能源环境 成本。现在环境污染的损失占g d p 的比例在3 - 7 。全球大气污染最严重的1 0 个城市中我国占7 个，资源与环境问题已成为制约我国经济发展的重要原因。我 国的能源发展战略要求提高能源效率，清洁使用矿物能源；调整能源结构，增加 替代能源：开发利用新能源和可再生能源，提高技术水平，推动产业发展【i 】。 目前我国燃料的使用价格较低，我国仍然有相当大比例的低效率的、直接燃 烧式的用能系统存在。随着人们对资源有限性的认识，对减少温室气体的重视程 度的增加，提高燃料的使用效率，减少温室气体的排放迫在眉睫。与此同时，随 着人们对建筑舒适度的要求提高，建筑能耗也逐渐增加。在这种情况下，燃料电 池供能系统逐渐受到各国政府和科研机构的重视。 1 1 1 燃料电池 燃料电池( f u e lc e l l ) 是一种基于电化学的发电装置，其按电化学的方式直 接将化学能转换为电能。它的反应过程不受卡诺循环的限制，因此能量转换效率 高( 4 0 一6 0 ) 【2 1 。环境友好，其反应物主要是由氢或天然气和氧气，其生成物 主要是水和二氧化碳，因此其发电过程对环境污染很小，只要不断为燃料电池提 供燃料和氧化剂，就可以连续的发电。燃料电池作为一种效率高、污染小的发电 装置，其既适合于作分布式供能系统的电源，也可以把其建为大容量中心发电站， 由于燃料电池的这些典型的特点，燃料电池技术的研究和开发备受各国政府和大 公司的重视。目前，燃料电池按电解质划分已有6 个种类得到了发展，即碱性燃 料电池( a l k a l i n ef u e lc e l l ，a f c ) 、磷酸盐型燃料电池( p h o s p h o r i c a c i df u e lc e l l ， p a f c ) 、熔融碳酸盐型燃料电池( m o l t e nc a r b o n a t ef u e lc e l l ，m c f c ) 、固体氧化 物型燃料电池( s o l i do x i d ef u e lc e l l ，s o f c ) 、固体聚合物燃料电池( 为质子交 换膜燃料电池( p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l ，p e m f c ) 及生物燃料电池 ( b i o f u e lc e l l ，b e f c ) 。 北京工业大学工学硕十学位论文 燃料电池在发电过程中的特点如下【3 】： ( 1 ) 效率高。目前的燃料电池的在低热值( l h v ，l o w i n gh e a t i n gv a l u e ) 的定义下发电效率在4 0 至u6 0 之间。 ( 2 ) 清洁。燃料电池是名副其实的清洁能源，因为它对燃料电的要求很高， 有些燃料电池只能用氢气，有些燃料电池虽然能够用天然气，但必须脱硫。而其 内部发生的大化学反应的产物往往只有水蒸气和热空气。因此如果不计燃料重整 所产生的污染物排放的话，燃料电池可以做到“零排放 。 ( 3 ) 启停灵活，负荷响应速度快，载荷调节能力强。燃料电池的启动和停 止要比常规热电厂快捷简便得多，如p e m f c 的冷启动时间为数秒钟至几分钟。 燃料电池其在负荷调节简便的同时具有良好的效率特性。即使负荷偏载较低时， 还可保持较高的运行效率。 ( 4 ) 模块化、安装时间短。规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积 小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论 作为集中电站还是分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常 合适 ( 5 ) 安静。燃料电池靠电化学反应发电，其内部没有任何活动部件，因此 运行噪声低。 正是由于燃料电池有这么多的特点，它才会越来越多地应用于各行各业，被 许多国家政府和科研机构所重视。我国在燃料电池方向也有了很长时间的研究， 但是目前主要是集中在汽车燃料电池上的研究，而燃料电池在建筑领域的研究在 我国还比较少，国外在燃料电池在建筑中的应用已经从试点工程在向部分的商业 运行走向，因此燃料电池在我国建筑领域的发展是值得期待的。 目前，燃料电池在建筑领域的发展主要在供电、供冷供热，其方式主要是利 用燃料电池发电，利用燃料电池的余热来制冷制热。而利用电化学的制冷制热也 是一种可行的方案。 1 1 2 基于燃料电池的电化学制冷与制热系统 通常来说，电化学反应一般伴随着放热或吸热的过程【4 】。控制某一电化学反 应进行的方向就可获得热量或冷量。电化学反应时进行的氧化还原反应，在电极 上就伴随着有放热或吸热即制冷。电化学制冷与制热就是基于这一钟原理。世界 上已有许多国家在研究电化学制冷技术。 电化学制冷系统主要由两个电解槽组成，一个发热，一个制冷，两个串联接 入电路中，两个槽的产物互相为另外一个电解槽的反应物，在热交换器中，两种 介质逆向流动换热，出口介质的温度接近入介质的温度，通电后，一个电解槽是 正反应，一个电解槽是逆反应。高温槽放出的热量大于低温槽吸收的热量，其差 值为消耗的电量。 2 第1 章绪论 皇。一e e l i 一； i 鼍曼曼曼鼍曼鼍量曼曼曼曼曼皇曼曼量量曼舅皇曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼舅曼曼曼置曼皇曼曼曼曼曼曼量 电化学制冷相比传统的制冷系统来说，不需要传统的制冷剂，且其制冷温度 取决于电解质，受环境温度的影响不是很大，因此，相比传统的蒸汽压缩式制冷， 电化学制冷具有较好的环保性和不受环境温度的限制性。但是由于其实一门边缘 学科，且其极化损失在大电流密度时候比较大，使得其发展受到一定的影响。 质子交换膜燃料电池是一个高温电解槽，是一个放热过程，而它的逆装置质 子交换膜电解池在一定的条件下是一个吸热过程。且他们的产物及生成物符合电 化学制冷的要求，因此耦合一个质子交换膜燃料电池和质子交换膜电解池，利用 燃料电池生成的电能和水，再补充一个补充电源，在电解池端电解水，并吸收热 量，达到制冷的目的。系统流程详见第三章。 1 1 3 基于燃料电池的冷热电联供系统 燃料电池的发展趋势是冷热电联产，它将有可能发展成为供热供冷系统主要 的热源之一。基于燃料电池的冷热电联产系统的主要的部件有燃料的处理装置、 燃料电池堆、吸收式制冷机及热泵及一些换热和储热器【5 】。燃料电池所产生的余 热非常清洁，而且燃料电池的余热温度非常容易实现高效率的热电冷，因此可利 用价值非常高。余热可生产蒸汽或热水，供热或供给吸收式冷水机组。作为冷热 电三联供系统的燃料电池装置，目前主要用于需要较多热量的宾馆、医院、学校 和工厂等。今后，通过将装置小型化，也将逐步应用于普通家庭。燃料电池由燃 料和氧化剂供应系统、水管理系统、热管理系统以及控制系统等组成。与微型燃 气轮机等动力驱动装置相比，一般来说，燃料电池的发电效率比其他的分散式发 电装置( 如内燃机、燃气轮机等) 高l 6 到1 3 6 。 分布式冷热电联供系统又称总能系统，其主要由动力驱动装置和余热回收 利用装置等组成。目前采用的动力驱动装置主要有燃气轮机、微型燃气轮机、 内燃机、外燃机和燃料电池等；而余热回收利用装置主要有余热锅炉、吸收式 制冷机和热泵等。根据动力驱动装置和余热回收利用装置的不同，可将总能系 统分为如下几种模式【7 。1 0 】： ( 1 ) 燃气轮机+ 余热锅炉+ 吸收式制冷机：如图1 1 所示，该类总能系统 主要由燃气轮机和吸收式制冷机组成。天然气首先经燃气轮机发电，发电后的 排气进入余热锅炉，回收余热产生蒸汽或高温热水。在冬季由换热站利用系统 所产生的蒸汽或高温热水直接加热水来供暖，也可利用蒸汽或热水型溴化锂吸 收式制冷机制出热水来供暖。在夏季则利用蒸汽或热水型溴化锂吸收式制冷机 来制冷。在燃气轮机故障停运或所需热量不足的情况下，可通过备用锅炉或余 热锅炉补燃的方式提供所需的热量。 3 北京工业大学t 学硕七学位论文 图1 - 1 燃气轮机吸收式制冷机模式 f i g 1 - 1g a st u r b i n e a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t o rm o d e ( 2 ) 燃气轮机+ 吸收式制冷机：如图1 2 所示，该系统是燃料先通过燃气 轮机发电，与图1 1 不同的是没有余热锅炉。溴化锂制冷机组排出的烟气温度 仍然很高，因此还可以进行二次余热利用，夏季用于供应生活热水，冬季用于 供暖。在燃气轮机停用或供热、制冷所需热量不够的时候，空调自身可以通过 补燃产生驱动热量。因为没有锅炉及相关系统，降低了投资成本。 供电 供暖热水 供冷 图l - 2 燃气轮机+ 吸收式制冷机模式 f i g 1 - 2g a st u r b i n ea n da b s o r p t i o nr e f r i g e r a t o rm o d e ( 3 ) 内燃机+ 吸收式制冷机模式：图1 3 为内燃机作为驱动装置的总能系 统示意图。 供电 供暖馕球 储令 图1 - 3 内燃机总能系统示意图 f i g 1 - 3s k e t c hm a p 0 1 1t h et o t a le n e r g ys y s t e mo fg a se n 西n e 4 第1 章绪论 内燃机先用油或天然气发电，发电后的废热利用包含两部分，一部分来自 高温烟气，温度在5 0 0 - 6 0 0 ，可直接排入余热锅炉用来产生蒸汽，驱动吸 收式制冷机工作，另一部分来自内燃机缸套冷却水，温度大约8 5 9 5 和润 滑油的冷却水，温度大约为5 0 - - 6 0 1 2 ，可直接用来换热产生热水。通过余热 回收利用，可以提高燃料的综合利用效率，同时减轻排气对大气的污染作用。 ( 4 ) 基于燃料电池的总能系统：以燃料电池为原动力的冷热电三联供系 统的基本构成及流程如图l - 4 所示。燃料电池将燃料和氧化剂的化学能转化为 电能和热能，没有完全反应的燃料被送入后燃烧室内和空气混合燃烧，提高排 气的温度。从后燃烧室出来的高温气体预热完燃料和空气后，被送往溴化锂吸 收式制冷机内驱动制冷机工作。该总能系统在提供电能供应外，还可实现夏季 制冷和冬季制热供暖，因而具有良好的能源综合利用效率和环保性能。 基于燃料电池的冷热电系统和其他形式的冷热电系统相比，首先，燃料电 池的发电量的适用范围广。从小到3 - 5k w 的小型家庭式的冷热电联供系统的供 电到1m w 的区域冷热电联供系统，燃料电池都能保持较高的发电效率，使得 燃料的火用效率大于其他形式的冷热电联供系统。 燃料电池排气 图l _ 4 燃料电池总能系统原理图 f i g 1 - 4p r i n c i p l ef i g u r eo nt h et o t a le n e r g ys y s t e mo ff u e lc d l 1 2 基于燃料电池的制冷制热系统研究现状 1 2 1 基于燃料电池的电化学制冷制热发展现状 美国于1 9 6 8 年就发表了两项电化学制冷的专利。一项是从电解槽中电解出 具有一定压强的蒸汽，然后将此蒸汽冷凝成液体，液体然后在较低的压强下蒸发 吸热从而制冷，此时，电解槽就相当于压缩式制冷机中的压缩机，另一项是电解 槽析出的产物在外层再发生反应，通过化学反应产生吸热效应。俄罗斯冷冻机制 造科学研究所能够生成这种电化学冷却器，这种电化学冷却器最关键的是找到供 给电极表面活性物质和排出反应产物的有效方法，并完成电解装置和热交换器的 5 北京工业大学工学硕士学何论文 设计。前苏联采用f e c l 3 电解成f e c l 2 和c 1 2 及其逆过程，电解f e c l 3 还原成f e c l 2 和c 1 2 时吸热，逆反应过程时放热，采用的是全液相的反应过程，从而实现制冷 与制热。我国上海交通大学的徐烈 4 】等人，利用铅蓄电池的充电和放电过程伴 随的吸热和放热，实验研究了影响电化学制冷的因素。结果表明计划损失和电解 槽的电阻及电解质是影响电化学制冷的主要因素。 d w g e r l a c h 1 1 】等人开发了一种直接电化学制冷循环。其利用f e 3 + 的还原反 应吸热和f e 2 + 的氧化反应的放热，形成一个制冷循环，并用热力学的理论分析了 这种电化学制冷循环的可行性，计算其系统在不同的运行温度下的c o p 值。研 究了影响系统的效率的因素。 基于燃料电池的电化学制冷目前还很少有人研究，t a n w e u 1 2 】等人开发一 种结合燃料电池和电解池的电化学制冷系统，并从热力学角度分析了这种电化学 制冷在不同的制冷温度和不同的放热温度下的系统的制冷量和制热量，并计算所 需补偿的电能，得到系统的c o p 值。然而计算过程中，忽略了燃料电池和电解 池的极化损失，没有考虑电解池和燃料电池的电化学性能，因此考虑电解池和燃 料电池的极化损失，研究基于燃料电池和电解池的电化学制冷制热系统的动态性 能，是研究考虑这种方案可行性的主要方法之一。 1 2 2 基于燃料电池的冷热电联供系统发展现状 燃料电池有很多种，目前正在冷热电联产系统中发展的主要有熔融碳酸盐 ( m c f c ) 、固体氧化物( s o f c ) 和质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 【1 3 】。其中 m c f c 的排气温度在6 5 0 左右，s o f c 的排气温度在1 0 0 0 左右，属于高温 燃料电池，比较适合用于冷热电联产系统【1 4 】。由于技术、价格原因燃料电池在 冷热电联产系统中的应用尚处于起步阶段。燃料电池热电冷联供系统由于其燃料 电池的种类不同，其结构及其技术特点均有不同。燃料电池在建筑上的应用，美 国、日本、加拿大、德国等国处于领先地位。美国已有数万个燃料电池发电站用 于宾馆、医院及居民小区进行热电联供。日本运行中的电站约1 0 0 座，总容量 3 0m w 以上，1 9 9 1 年投入运行的五井电厂的1 1m w 级发电装置是目前世界上容 量最大的燃料电池发电站。德国采用加拿大b a l l a r d 公司技术，已建成1 座2 5 0k w 的热电联供电站。美国在g r i d o e 计划中建造了4 8 台4 0l 【w 级热电联产型现 场式发电装置，其中2 台分别由日本东京煤气公司与大阪煤气公司进行试验，其 余分散在美国各地。2 0 0 4 年1 月，在欧盟的赞助下，德国威廉( v a i l l a n t ) 公司 成功地在德国、荷兰等几个欧洲国家安装了3 l 套燃料电池加热装置，这些小型 加热装置可以为家庭、商场以及医院提供电力和热水【1 5 】。 在2 0 0 2 年日本宣布了其燃料电池战略及其相应的目标，三年后，全世界第 一个用于住宅的基于燃料电池热电冷联产系统是于2 0 0 5 年8 月安装在日本首相 的官邸【1 6 】。尽管用于联产系统的方式不是燃料电池的主要应用方式，但是目前在 6 第1 章绪论 日本不少于3 0 0 0 0 套微型c h p 系统已经安装到居民的房屋里【1 7 】，这对于燃料电 池的冷热电联供系统的研究是一个有利的地方。 尽管目前已有很多的基于燃料电池的热电冷联供系统的工程示范应用，但是 由于燃料电池的运行过程复杂，以及系统的学科覆盖面大，目前有关基于燃料电 池的冷热电联供系统的研究工作主要是集中在对联供系统的数值模拟仿真，通过 数值方法研究系统的运行方案及运行效率，并研究其经济性。 结合太阳能等可再生能源的热电冷联供系统目前研究的比较少。s o b a r a 1 8 】 把太阳能作为一个低温热源引入热电联供系统，为系统提供热水或者低温驱动热 源。v d o r e r 等人【l9 】把太阳能以光伏发电的电能形式引入，电解水得到燃料电池 所需要的氢气，从而降低系统的排放。 1 2 3 基于p e m f c 的热电冷联产系统研究现状 质子交换膜燃料电池热电冷联供系统：p e m f c 是以质子交换膜为电解质的 燃料电池，该电解质膜为固体聚合物( s o l i dp o l y m e r ) ，嵌在两个铂催化的多孔电 极之间。p e m f c 的典型操作温度是8 0 一- 8 5 ，这个温度是由固体聚合物的热 稳定性和离子导电性能共同决定的，质子交换膜需要加湿使其具有足够的离子导 电性，因为使用液体水加湿，所以其操作温度要低于1 0 0 ，较低的操作温度 使得电池很快进入稳定的操作状态。由于天然气重整产生的气体经常含有其他组 分，例如c o ，这对p e m f c 的操作是有害的，当燃料气体中c o 体积分数超过 5 0 x1 0 r 6 后，会引起铂催化剂中毒，使电池的性能明显下降。如果以纯氢气为燃 料，则p e m f c 的效率可达6 0 ，但是p e m f c 的废热温度较低，不能用于燃料 的重整过程，因此若使用天然气作为燃料，整个系统的效率低于4 5 【刎。由于 质子交换膜燃料电池的运行温度较低，一般在6 0 8 0 左右。因此一般直接利用 其余热驱动吸收式制冷机，从而实现热电冷联产。因此其结构一般都包括燃料电 池系统及吸收式制冷系统，余热回收系统等。p e m f c 冷热电联产系统的原理是 由燃料电池提供电池，而燃料电池及天然气重整产生的废热被回收，用来驱动吸 收式制冷系统，实现冷热电联供【2 0 1 。基于质子交换膜燃料电池的热电冷联产系统 主要的研究有两个。一个是在其应用于家庭的冷热电联产时的经济性能评价及能 源使用效率上，即可行性分析。由于其回收的温度不高，不能应用于蒸汽重整， 因此基于质子交换膜燃料电池的总能系统的能源使用效率一般为8 0 到8 5 左 右。 m i l l a ir a d u l e s e u 等人 2 1 1 实验研究了一个发电功率为4 5l 【w ，供热功率为6 5 k w ( 6 0 热水) 的基于p e m f c 的热电联供系统。系统的性能以电、热及总效 率表现出来，结果显示由于重整过程的影响，发电效率比较低但是总的燃料使用 效率是比较高的。 g g i g l i u e c i 等人【2 2 】研究了开发一个小功率的p e m f c 热电联产系统，该系统 7 北京工业大学工学硕十学位论文 适用于家庭住宅的电热需要，通过实验与模拟分析了在家用热电联产时的供电4 k w ，供热6 8k w 时系统的效率及运行参数对系统性能的影响并对其进行优化。 结果表明电的载荷需求是对系统影响最大的运行参数。当电的载荷越大，电池运 行效率越高，整个系统运行效率越高。达到一个最高值后，其效率开始下降。 b o r j ao y a r z a b a l 等人【2 3 】开发了基于p e m f c 的冷热电联供系统的热力学、几 何学和经济学模型。这个模型描述了燃料电池及其次级部件运行和费用。热力学 模型描述重整器、换热器、燃料电池、制冷机等部件的运行状况。经济学模型是 依据文献及部件运行费用描述系统运行费用。结果分析表明系统是在用户群中 ( 如5 0 户) 或者制造业工厂( 1 5 0 0 人) 的量规模的载荷需求时能够达到最经济 性的运行。其发电效率为3 9 ，系统总能效率达到7 2 。 b o s 2 4 】对住宅燃料电池联供系统进行了研究，考虑了住宅侧的需求进行系统 第1 章绪论 模拟分析了了每个能源装置的运行时间及供给比例，从而达到使得运行费用最 少，能源的供需平衡，及最少的温室气体的排放。 s o b a r a 2 5 】研究了家用p e m f c 热电联产系统的负载控制，模拟分析了系统 的动态特性。得出当负载随着燃料电池的负载改变时，系统的效率能达到最高。 i p i l a t o w s k y 等人【2 6 1 模拟了p e m f c 总能系统的吸收式制冷过程。给出了 p e m f c 的运行条件按，制冷系统的最佳运行是在发生器温度为6 0 6 5 之间， 蒸发温度为5 1 0 时，c o p 值为0 4 4 0 5 7 之间。 基于p e m f c 热电联产系统一般用于家庭用或移动式。这是由其余热温度不 高等原因决定的。由于其用于住宅及移动式的可行性研究已经比较多，许多公司 都将其作为商业化的计划。日本及德国已经开始计划批量生产这种家庭用或移动 式的热电联产装置。 1 2 4 基于m c f c 的热电冷联产系统 融碳酸盐燃料电池( m c f c ) ( 工作温度为6 0 0 - 6 5 0 ) 。这个温度使得其 非常适合于区域性的热电联产供电系统。其原理为：天然气和水蒸汽以及空气在 m c f c 中发生电化学反应产生电能，m c f c 排出的高温烟气先通入换热器内，预 热空气和天然气后，作为双效溴化锂吸收式冷温水机组的驱动热源，冬季制出热 水供暖，夏季制出冷水制冷。由于溴化锂机组排出的烟气温度仍然很高，可将溴 化锂机组的排气通入换热器内和水进行换热，将水加热成水蒸汽供空气加湿和天 然气重整用。由于其应用于电站发电已经相对较为成熟，日本及欧洲的一些国家 已经有m a f c 燃料电池电站并且运行状况良好。 然其应用与热电联产还没有实际的商业化。目前主要的研究是对于基于 m c f c 的热电冷联产系统的模拟分析，模拟计算其能源使用效率及主要的影响区 域。 于泽庭等人【2 7 】提出了以基于m c f c 的热电冷联产系统，并对其进行了热力 性能分析。通过能量和火用分析，表明系统总的燃料利用率可达8 2 6 ，火用损 失最大值发生在燃料电池子系统。 j l s i l v e i r a 等人【2 8 】提出了一个基于m c f