基于PEMFC的微型冷热电联供系统集成分析与多目标优化研究

Combined heating cooling and power system (CCHP) is a promising way to alleviating the problems of building energy consumption and environment pollution, however, still consuming vast fossil energy, causing environment pollution. In CCHP, the prime mover efficiency, the coupling relationship of prime mover and other components, and optimization of operating parameters are the key points to improve system overall efficiency, which need further study. In this project, in view of the high efficiency and low pollution of fuel cell, a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) based residential micro-CCHP system is proposed and analyzed using thermodynamic analysis method. The coupling relationship between PEMFC and absorption chiller, and effects of operating parameters of PEMFC and parabolic trough solar collector (PTSC) on system thermodynamic behavior are analyzed. The system is evaluated by the comprehensive assessment method which takes primary energy ratio, exergy efficiency, economic and environment cost into considered. Moreover the system is optimized by the intelligent evolution algorithm taking the four indexes as the optimization objectives, and the optimal operating parameters set is obtained. The research results can provide theoretical guide to the design and optimization of new energy system, and offering new idea to the fuel cell application and energy saving-discharge reducing of architecture.

冷热电联供系统是缓解建筑能耗和环境污染问题的一种有效手段，但仍需要消耗大量化石燃料，造成环境污染。联供系统中驱动装置效率、驱动装置与其他部件的耦合关系及操作参数的优化是提升联供系统效率、实现节能减排的关键，亟需进一步研究。本项目利用燃料电池高效率、低污染的特点，采用热力学分析方法，针对微型冷热电联供系统，提出一种基于质子交换膜燃料电池的微型冷热电联供系统模型，分析燃料电池与吸收式制冷机的耦合关系及燃料电池和槽式太阳能集热器操作参数对系统热力学行为的影响。在此基础上，采用综合评价方法，综合考虑一次能源利用率、㶲效率、经济成本、环境成本四种因素，对系统进行综合评价；将各项指标作为优化目标，利用智能进化算法对联供系统进行多目标优化，得到最优操作参数集，提升联供系统性能。研究成果在理论上可为新能源热力系统的设计和优化提供新方法，在应用上可为燃料电池的应用和建筑节能减排提供新思路。

基于燃料电池的冷热电联供系统以燃料电池作为主要驱动装置，电化学发电过程仅生成水和余热，具有高发电效率、低污染、低噪音等特点。本项目针对目前燃料电池冷热电联供系统存在的能量利用效率不高、评价手段单一、优化方法不足等问题，采用理论和实验的方法对燃料电池冷热电联供系统综合评价和优化开展了研究。建立了基于质子交换膜燃料电池的微型冷热电联供系统模型，搭建实验平台测试燃料电池堆性能，分析了电流密度、工作温度、进气压力等关键操作参数对燃料电池及联供系统的影响，分别从热力学性能、经济成本和环境影响等方面对PEMFC冷热电联供系统进行了综合评价，获得了操作参数与评价指标间的映射关系，采用智能进化算法对系统进了多目标优化。在此基础上，为降低联供系统制氢和用氢成本，本项目提出了一种基于甲醇重整制氢的燃料电池冷热电联供系统，分析了地热温度和水醇比对冷热电联供系统的输出功率及效率的影响，获得了主要操作参数对系统年均成本、平准化能源成本及直接CO2排放量等经济和环境指标的影响，对比分析了NSGA-II及fgoalattain 两种进化算法对联供系统的多目标优化结果。设计了一种基于PEMFC-太阳能-固体氧化物电解槽（SOEC）-朗肯循环的新型多联供系统，利用太阳能及SOEC的高品质热源，提升PEMFC联供系统热力学性能。基于能量梯级利用原理，对联供系统进行了参数分析，讨论了太阳辐射强度、电流密度、工作温度及环境温度对多联供系统热力学性能影响，基于热力学第二定律对系统进行了㶲分析，获得系统㶲效率，确定了主要㶲损部件。本项目的研究成果为微型燃料电池冷热电联供系统的设计制造、综合评价和参数优化提供了理论指导，同时其研究成果对燃料电池相关能量系统多目标优化研究的发展具有重要意义。