太阳能耦合燃料电池联供系统余热回收的运行参数模拟研究

张 涛，韩吉田，于泽庭，刘 洋

太阳能耦合燃料电池联供系统余热回收的运行参数模拟研究

张 涛1,2，韩吉田1，于泽庭1，刘 洋1

（1. 山东大学能源与动力工程学院，济南 250061；2. 山东省泰安市中心医院，泰安 271000）

该文将太阳能与燃料电池相结合，构建太阳能耦合质子交换膜燃料电池的联供系统（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）。试验与仿真研究太阳能耦合质子交换膜燃料电池联供系统余热回收的运行参数。试验结果表明：在低温太阳能集热器/空气源热泵热水系统中，储热水箱平均温度为45.55 ℃，热泵运行温度设定为40～45 ℃。仿真结果表明：增加PEMFC电堆单电池个数及氢气燃料分压力，可有效提高PEMFC电堆输出电压。提高PEMFC电堆的输出电压及电流的同时，电堆的运行温度随之降低，同时也相应的延长了PEMFC电堆的启动时间。PEMFC电堆循环冷却水进出口温度为45～55 ℃，当PEMFC电堆循环冷却水进出口温度为50～55℃时，太阳能冷却水进出口温度为40～45 ℃，PEMFC电堆的运行温度为80.47 ℃，氢气反应速率为0.015 4 mol/s，板式换热器热效率的合理区间为0.5～0.9。试验及仿真研究结果表明，40～45 ℃的低温太阳能集热器/空气源热泵热水系统，可连续不断地吸收PEMFC循环冷却水热量，确保联供系统正常运行。

太阳能；热泵；燃料电池；板式换热器；太阳能冷却水；仿真研究

0 引 言

太阳能、氢能和余热资源被认为是当今社会主要的可再生能源，此3种能源不但能够满足社会能源载体的需求，而且能够减少来自化石能源的二氧化碳排放量[1]。太阳能虽然具有分散性、间歇性及随机性等不利因素，但同时具有普遍、巨大、长久及无害等优点[2]。充分利用太阳能对于节约常规能源、保护环境具有极其重大的意义[3]。燃料电池是一种清洁高效的能源技术，在经历了一段时间的发展后，现已进入商业开发应用阶段，现有的每一种燃料电池技术均有其特有的优点、缺点和应用领域[4]。PEMFC具有质量轻及能流密度相对较高的特点，其可在低温环境下运行并获得较高效率，现已成功应用于发动机行业[5]。起初，工业余热资源未被回收利用，造成不必要的浪费，余热回收不但能提供有效的能源途径，而且能有效降低能源消耗[6-7]。由于可用太阳能受到诸多限制，将太阳能储存于氢能并吸收燃料电池高温余热资源的太阳能耦合质子交换膜燃料电池联供系统是解决这种问题的途径之一[8-9]。

中国科学院工程热物理研究所应用光谱选择性纳米流体技术，提出了一种光伏发电和太阳能合成气燃料电池于一体的聚光太阳能发电系统[10]。研究表明，太阳光的紫外和红外光谱带通过热化学反应被吸收并转化为太阳合成气，太阳能合成气通过固体氧化物燃料电池转化为电能；可见光和近红外太阳光带通过聚光器光伏阵列转换成电能；在900 W/m2的太阳直接辐射下，太阳能发电效率有望达到31.5%。湖南科技学院应用能源梯级利用技术，提出了一种聚光太阳能集热器耦合PEMFC冷热电联供系统[11-12]。研究表明，太阳能耦合PEMFC冷热电联供系统是可行的，降低运行温度，提高燃料的相对湿度及进口压力，可将系统（火用）效率提高至39.9%，全年减排温室气体1.82×107g。华中科技大学应用有机朗肯循环技术，提出了一种适用于家庭的太阳能耦合PEMFC联供系统[13-14]。研究表明，电流密度、太阳能辐照强度及环境温度是联供系统的主要影响因素，由于该系统具有设备利用率高、效率高、稳定性好、噪声低、排放低等优点，因此具有良好的应用前景。

法国学者应用PEMFC反应余气以及燃烧室热能，构建了一种小型冷热电联供系统[15]。研究表明，与传统的分布式能源系统相比较，PEMFC微网系统节能效率有望达到35%，位于马赛单户住宅的最大节能率约为35%，位于雷恩单户住宅的最低节能率约为32%。西班牙学者应用固态碳技术，发明了一种太阳能耦合燃料电池的集中热发电系统，聚光太阳能分解甲烷生成碳和氢气，碳和氢气供给燃料电池生成直流电[16]。研究表明，这种太阳能耦合燃料电池的集中热发电效率优于单一的聚光太阳能热电厂效率。伊朗学者通过将储氢技术应用于风力发电、光伏发电及PEMFC冷热电的微网系统，提出了一种多目标萤火虫算法，将不确定性参数混合整数非线性规划问题转化为随机混合整数非线性规划问题[17-18]。研究表明，通过多目标萤火虫算法，可将电力市场价格、风速、太阳辐照度、PEMFC运行参数等不确定性，协调统一为最优调度状态。

山东大学在低温太阳能集热器研究的基础上[19-20]，结合燃料电池联供系统的相关研究[21]，构建了太阳能耦合PEMFC的联供系统[8]，通过太阳能试验平台，验证了联供系统的可行性[22]。本文根据太阳能试验数据，仿真研究PEMFC静态影响因素，PEMFC动态及太阳能循环冷却水运行参数。

1 联供系统及太阳能试验

本节论述联供系统的构成、太阳能试验装置及太阳能运行参数，试验验证太阳能余热回收的可行性。

1.1 联供系统构成

如图1所示，太阳能耦合质子交换膜燃料电池（PEMFC）热电联供系统由太阳能气象站、太阳能光电/PEMFC、低温太阳能集热器/空气源热泵热水系统及PEMFC/板式换热器构成。

太阳能电解水产生的氢气和氧气分别储存在氢气储罐和氧气储罐中，氢气和氧气经过PEMFC发生电化学反应产生直流电能。空气源热泵控制温度设定为40～45 ℃，维持储热水箱内温度为40～45 ℃。太阳能热水流经板式换热器时，吸收热量水温上升后，储存在水箱内部供给用户使用。

图1 太阳能耦合PEMFC热电联供系统简图

1.2 太阳能试验装置

根据热电联供系统中太阳能余热回收的特点，搭建太阳能气象站及低温太阳能集热器/空气源热泵热水系统，试验验证太阳能余热回收的可行性。

如图2所示，太阳能气象观测站的室外仪器包括风速风向仪、温度湿度仪、数据采集器、太阳辐射表、数据采集线、仪器支架等设备；太阳能气象观测站的室内仪器包括太阳能热水系统测试仪、测试软件、测试主机、数据采集线等设备。

如图3所示，低温太阳能集热器/空气源热泵热水系统主要分为3部分。第1部分为太阳能集热器加热系统，当日光充足时，生活用水经太阳能集热器加热温度升高，试验装置为太阳能循环泵、横双排全玻璃真空管太阳能集热器。第2部分为空气源热泵系统，当水箱内水温低于设定值时，空气源系统启动，生活热水吸收空气热能后温度升高，试验装置为空气源热水机组、循环水泵等辅助设备。第3部分为储热水箱，所有生活热水均储存在水箱内部，储热和保温是水箱的2个主要指标。

a. 室外设备

a. Outdoor equipment

b. 室内设备

b. Indoor equipment

1.太阳辐射表 2.数据采集器 3.风速风向仪 4.温度湿度仪 5.数据采集线 6.支架 7.太阳能热水系统测试仪 8.测试软件 9.数据采集线 10.测试主机

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

图2 太阳能气象观测站

Fig.2 Solar meteorological observe station

1.空气源热泵 2.热水系统控制器 3.横双排全玻璃真空管太阳能集热器 4.太阳能循环泵 5.太阳能出水管 6.储热水箱 7.自来水补水管 8.空气源循环水泵

2 仿真模型

本节应用Matlab/Simulink仿真软件，构建PEMFC输出电压静态仿真模型和太阳能冷却水动态仿真模型[22]，仿真研究质子交换膜燃料电池电堆的影响因素，确定太阳能余热回收利用的运行参数。

2.1 PEMFC输出电压

PEMFC电堆的输出电压如式（1）所示，输出电压Matlab/Simulink仿真模型如图4所示。PEMFC输出电压仿真模型包括8个输入变量，即燃料电池温度、氢气分压力、氧气分压力、电池电流、交换膜有效面积、质子交换膜的厚度、膜的等效接触电阻、燃料电池工作状态常数。7个变量，即4个活化过电压经验参数、质子交换膜的水含量、最大电流密度、燃料电池电堆电池个数。5个子系统，即热力学电动势、活化过电压、欧姆电压降、浓差过电压、燃料电池电堆电压。

式中为单电池的输出电压，V；为电池堆的输出电压，V；为电堆中单电池个数；为热力学电动势，V；为活化过电压，V；为欧姆电压降，V；为浓差过电压，V。

2.2 太阳能冷却水

PEMFC电堆能量方程如式（2）所示，太阳能冷却水Matlab/Simulink仿真模型如图5所示。太阳能冷却水仿真模型包括12个输入变量，即氢气的摩尔反应速率、参加反应的氢气的焓值、电堆的输出电压、电堆的热容、电堆电流、电堆循环冷却水入口温度、电堆循环冷却水出口温度、电堆的导热系数、电堆的对流换热系数、板式换热器冷却水入口温度、板式换热器冷却水出口温度、板式换热器效率。4个变量设定，即电堆循环冷却水比热容、板式换热器冷却水比热容、电堆环境温度、电堆热阻。4个子系统，即电堆循环冷却水热功率系统、电堆对外辐射的热功率系统、电堆循环冷却水流量系统、板式换热器冷却水系统。4个仿真数据输出端口，即电堆温度输出端口、电堆冷却水热功率输出端口、电堆冷却水流量输出端口、板式换热器冷却水流量输出端口。

式中为电堆的吸热功率，J/s；为电堆热容，J/℃；为进入电堆的总功率，J；为电堆输出的电功率，W；为冷却水带走的热功率，W；为电堆对外辐射的热功率，W。

3 PEMFC输出电压

本节应用PEMFC输出电压静态仿真模型，研究电堆电流、电堆温度、燃料分压力、燃料电池单体数量对PEMFC电堆输出电压的影响。

3.1 初始条件

假定PEMFC电堆处于稳定的连续运行状态，仿真模型中的PEMFC电化学参数如表1所示。

3.2 电堆电流

PEMFC电堆输出电压、输出功率数据变化如表2所示，电堆电流在0～20 A范围内，随着电堆电流的增加，PEMFC电堆输出电压由零迅速升高至最大值；电堆电流在20～200 A范围内，随着电堆电流升高，PEMFC电堆输出电压逐渐下降，但下降幅度仅为7.56 V，电堆输出电压趋向平稳。电堆电流在0～200 A范围内，随着电堆电流升高，PEMFC电堆输出功率迅速升高，由零值升高至最大值6 824.20 W。

3.3 电堆温度

PEMFC电堆温度变化如图6所示，PEMFC电堆温度在293～373 K范围内，随着电堆温度升高，PEMFC电堆输出电压直线下降，由最大值降至最小值，PEMFC电堆输出电压最大降幅为10.67 V。

表1 PEMFC电化学参数

表2 PEMFC电堆输出电压、输出功率

图6 电堆温度变化

3.4 燃料分压力对电堆电压的影响

燃料分压力影响如图7所示，随着PEMFC氢气分压力的增加，氢气分压力在1.0～5.0 atm范围内，PEMFC电堆输出电压逐渐升高，最大增幅为0.83 V。随着PEMFC氧气分压力的增加，氧气分压力在1.0～5.0 atm范围内，PEMFC电堆输出电压逐渐降低，最大降幅为1.01 V。

图7 燃料分压力对电堆电压的影响

3.5 单电池数量对电堆电压的影响

单电池数量影响如图8所示，随着PEMFC单电池数量的增加，单电池数量在1～50个范围内，PEMFC电堆输出电压直线升高，最大增值为51.11 V，增加串联单电池数量可有效提高PEMFC电堆输出电压。

图8 单电池数量对电堆电压的影响

4 PEMFC电堆动态仿真

本节应用PEMFC电堆动态仿真模型，研究电堆温度、电堆循环冷却水的热功率、电堆循环冷却水流量、换热器冷却水流量的变化规律。研究氢气的摩尔反应速率、电堆输出电压、电堆电流、电堆循环冷却水进出口温度变化对电堆温度及启动时间的影响。

4.1 初始条件

假定PEMFC电堆处于连续运行状态，电堆动态仿真热模型参数如表3所示。

表3 电堆动态仿真热模型参数

4.2 动态仿真电堆温度变化

动态仿真电堆温度变化如图9所示，在0～1 000 s范围内，PEMFC电堆温度的增幅最大。在1 000～4 000 s范围内，PEMFC电堆温度的增幅最小。在4 000～5 000 s范围内，PEMFC电堆温度没有变化，此时PEMFC电堆温度为80.07 ℃，PEMFC电堆温度稳定时刻为3 686.90 s。

图9 动态仿真电堆温度变化

4.3 循环冷却水热功率

电堆循环冷却水热功率变化如图10所示，在0～300 s范围内，PEMFC电堆循环冷却水热功率为0。在300～400 s范围内，电堆冷却水热功率由0增加至404.12 W，PEMFC电堆开始启动。在400～2 600 s范围内，电堆冷却水热功率逐渐增加。在2 600～5 000 s范围内，电堆冷却水热功率趋于平稳，此时PEMFC电堆冷却水热功率为1 532.60 W。

图10 电堆循环冷却水热功率变化

4.4 冷却水流量

动态仿真冷却水流量变化如图11所示，PEMFC电堆循环冷却水流量与板式换热器冷却水流量，均与电堆冷却水热功率相关，0～5 000 s动态仿真范围内，冷却水流量变化趋势与循环冷却水热功率相同。在2 600～5 000 s范围内，冷却水流量趋于平稳，由于设定板式换热器热效率0.5的影响，板式换热器冷却水流量是电堆循环冷却水流量的2倍。

图11 动态仿真冷却水流量变化

4.5 氢气反应速率

随着氢气反应速率的增加，PEMFC电堆启动时间呈下降趋势，即电堆启动工作时间越来越短。但在0.016～0.017 mol/s和0.018～0.019 mol/s范围内，电堆启动时间相同。

PEMFC电堆温度随氢气反应速率的变化如图12所示，随着氢气反应速率的增加，处于稳定状态的PEMFC电堆温度直线上升，即氢气反应速率的变化对PEMFC电堆温度的影响最为明显，合理控制氢气反应速率，可使PEMFC电堆处于最佳的工作状态。

图12 氢气反应速率

4.6 电堆电压

电堆温度随电堆电压的变化如图13所示，随着电堆输出电压的增加，PEMFC电堆启动时间呈上升趋势，即电堆启动工作时间越来越长。在21.00～22.75 V范围内，电堆启动时间的差值为90.92 s，在24.50～28.00 V范围内，电堆启动时间的差值为11.32 s。随着电堆输出电压的增加，处于稳定状态的PEMFC电堆温度直线下降，在输出电压21.00～28.00 V范围内，PEMFC电堆温度的下降值为17.15 ℃。

图13 电堆温度随电堆电压的变化

4.7 电堆电流

PEMFC电堆温度随电堆电流的变化如图14所示，随着电堆输出电流的增加，在69.60～92.80 A范围内，电堆启动时间的差值仅为5.71 s，没有明显变化。但在92.80～162.40 A范围内，电堆启动时间的差值为358.77 s，上升趋势较为明显。随着电堆电流的增加，处于稳定状态的PEMFC电堆温度直线下降，在电堆电流69.60～162.40 A范围内，PEMFC电堆温度的下降值为49.88 ℃。

图14 电堆温度随电堆电流的变化

4.8 电堆温度随循环冷却水温度的变化

PEMFC电堆温度随循环冷却水的变化如图15所示，随着循环冷却水进出口温度的增加，在35/45℃范围内，电堆启动时间的下降值为18.74 s，即电堆能较早进入工作状态。但循环冷却水进出口温度在45/55 ℃范围内，电堆启动时间的延后值为106.27 s。随着循环冷却水进出口温度的增加，处于稳定状态的PEMFC电堆温度直线上升，当循环冷却水进出口温度为45/55 ℃时，PEMFC电堆温度为88.23 ℃。

注：35/43为进口温度/出口温度，依此类推。

5 太阳能冷却水

本节应用太阳能冷却水动态仿真模型，匹配PEMFC电堆温度、电堆循环冷却水、太阳能冷却水的运行参数，板式换热器热效率变化对PEMFC系统的影响。

5.1 运行参数

根据太阳能热用户需求热水温度的特点及太阳能集热器/空气源热泵的试验数据，设定太阳能热水温度的变化区间为37～45 ℃。根据PEMFC电堆循环冷却水的出口温度低于55 ℃的要求，设定PEMFC电堆循环冷却水的变化区间为45～55 ℃。根据温度区间的设定，研究PEMFC电堆/板式换热器的运行参数。

电堆启动时间随循环冷却水进出口温度的变化如图 16所示，当PEMFC电堆循环冷却水进出口温度为45/55 ℃及50/55 ℃时，PEMFC电堆的启动时间最长，但2个区间的PEMFC电堆的启动时间仅相差0.38 s。当PEMFC电堆循环冷却水进出口温度为45/50 ℃时，PEMFC电堆的启动时间最短，比其他2个区间PEMFC电堆的启动时间提前99.86 s。

注：45/55为进口温度/出口温度，依此类推。

PEMFC电堆/板式换热器的运行参数如表4所示，当PEMFC电堆循环冷却水进出口温度分别为50、55 ℃时，PEMFC电堆的氢气反应速率最小，此时匹配的太阳能冷却水进出口温度分别为40、45 ℃，PEMFC电堆的运行温度为80.47 ℃，状态3的数据均在合理区间。

表4 PEMFC电堆/板式换热器的运行参数

5.2 换热器热效率

根据PEMFC电堆状态3的运行参数，研究板式换热器热效率变化对太阳能冷却水流量和PEMFC电堆参数的影响。

太阳能冷却水流量随换热器热效率变化如图17所示，当板式换热器的热效率在0.1～0.5范围内变化时，太阳能冷却水流量的下降幅度为0.41 kg/s。当板式换热器的热效率在0.5～0.9范围内变化时，太阳能冷却水流量的下降幅度为0.04 kg/s。板式换热器热效率未对PEMFC电堆参数形成影响，板式换热器热效率的合理区间为0.5～0.9。

图17 太阳能冷却水流量随换热器热效率变化

5.3 可行性验证

根据太阳能余热回收的要求，主要测定全玻璃真空管集热管、集热器、热水系统储热水箱、空气源热泵出口的温度变化。为确保太阳能参数的可靠性，试验选择太阳能环境最差的冬季晴天、阴天和雪天。如表5太阳能热水系统试验数据所示，在太阳能环境最差的冬季雪天测试时段内，储热水箱内部的平均温度为45.55 ℃。由于晴天对热水的使用量较大，循环水量也因此增加，导致晴天水箱的水温较低。太阳能循环冷却水的仿真区间为35～65 ℃，确定太阳能循环冷却水进出口的最优参数为40～45 ℃，太阳能热水系统试验的温度区间相吻合，试验验证了太阳能循环冷却水的可行性[23]。

表5 太阳能热水系统试验数据

6 结 论

1）本文通过Matlab/simulink仿真模型，研究了太阳质子交换膜燃料电池（PEMFC）静态影响因素，PEMFC动态及太阳能循环冷却水运行参数。研究结果表明，增加PEMFC电堆单电池个数及氢气燃料分压力，可有效提高PEMFC电堆输出电压。PEMFC电堆循环冷却水进口温度为45 ℃，出口温度为55 ℃，即PEMFC电堆循环冷却水的出口温度低于55 ℃。太阳能冷却水进口温度为40 ℃，出口温度为45 ℃时，PEMFC电堆的运行温度为80.47 ℃，氢气反应速率为0.015 4 mol/s，板式换热器热效率的合理区间为0.5～0.9。太阳能冷却水进出口仿真温度与太阳能冬季低温条件下储热水箱的温度变化相同。

2）试验及仿真研究结果表明，40～45 ℃的低温太阳能集热器/空气源热泵热水系统，可连续不断地吸收PEMFC循环冷却水热量，确保联供系统正常运行。

[1] Stougie L, Tsalidis G A, Kooi H J, et al. Environmental and exergetic sustainability assessment of power generation from biomass[J]. Renewable Energy, 2018, 128: 520－528.

[2] 何梓年. 太阳能热利用[M]. 合肥：中国科技大学出版社，2009：1－583.

[3] 张涛，韩吉田，田瑞，等. 全玻璃真空管太阳能热水器实验和模拟研究[J]. 东南大学学报：自然科学版，2015，45(5)：897－902. Zhang Tao, Han Jitian, Tian Rui, et al. Experimental and simulation study for all-glass evacuated tube solar water heaters[J]. Journal of Southeast University: Natural Science Edition, 2015, 45(5): 897－902. (in Chinese with English abstract)

[4] Cerri F, Heinzel A, Bele P, et al. EFCF2017-fuel cells and reversible technologies[J]. Fuel Cells, 2018, 18(5): 567.

[5] Wu W, Partridge J S, Bucknall R W G. Stabilised control strategy for PEM fuel cell and supercapacitor propulsion system for a city bus[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2018, 43: 12302－12313.

[6] Jouhara H, Khordehgah N, Almahmoud S, et al. Waste heat recovery technologies and applications[J]. Thermal Science and Engineering Progress, 2018, 6: 268－289.

[7] Mi W L, Su Q Q, Bao C, et al. A 10kW class natural gas-PEMFC distributed heat and power cogeneration system[J]. Energy Procedia, 2012, 28: 162－169.

[8] 张涛. 基于太阳能光电/光热和质子交换膜燃料电池的热电联供系统特性的模拟与试验研究[D]. 济南：山东大学，2017. Zhang Tao. Experimental and Numerical Study on Characteristics of Combined Heating and Power Generation System based on Solar Photovoltaic/Thermal and Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)[D]. Jinan: Shandong University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[9] Yang F, Huang N Z, Sun Q, et al. Modeling and techno-economic analysis of the heat pump-integrated PEMFC-based micro-CHP system[J]. Energy Procedia, 2018, 152: 83－88.

[10] Tang Sanli, Hong Hui, Sun Jie, et al. Efficient path of distributed solar energy system synergetically combining photovoltaics with solar-syngas fuel cell[J]. Energy Conversion and Management, 2018, 173: 704－714.

[11] Chen Xi, Gong Guangcai, Wan Zhongmin, et al. Performance study of a dual power source residential CCHP system based on PEMFC and PTSC[J]. Energy Conversion and Management, 2016, 119: 163－176.

[12] Chen Xi, Zhou Haowei, Li Wenbin, et al. Multi-criteria assessment and optimization study on 5 kW PEMFC based residential CCHP system[J]. Energy Conversion and Management, 2018, 160: 384－395.

[13] Chang Huawei, Wan Zhongmin, Zheng Yao, et al. Energy analysis of a hybrid PEMFC–solar energy residential micro-CCHP system combined with an organic Rankine cycle and vapor compression cycle[J]. Energy Conversion and Management, 2017, 142: 374－384.

[14] Chang Huawei, Wan Zhongmin, Zheng Yao, et al. Energy- and exergy-based working fluid selection and performance analysis of a high-temperature PEMFC-based micro combined cooling heating and power system[J]. Applied Energy, 2017, 204: 446－458.

[15] Romdhane J, Gualous H L. Energy assessment of PEMFC based MCCHP with absorption chiller for small scale French residential application[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2018, 43(42): 19661－19680.

[16] Díaz E, Epstein M, Romero M, et al. Performance assessment of concentrated solar power plants based on carbon and hydrogen fuel cells[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2018, 43(11): 5852－5862.

[17] Bornapour M, Hooshmand R A, Khodabakhshian A, et al. Optimal stochastic scheduling of CHP-PEMFC, WT, PV units and hydrogen storage in reconfigurable micro grids considering reliability enhancement[J]. Energy Conversion and Management, 2017, 150: 725－741.

[18] Bornapour M, Hooshmand R A, Khodabakhshian A, et al. Optimal stochastic coordinated scheduling of proton exchange membrane fuel cell-combined heat and power, wind and photovoltaic units in micro grids considering hydrogen storage[J]. Applied Energy, 2017, 202: 308－322.

[19] 张涛，韩吉田，闫素英，等. 太阳能真空管对流换热的模拟和实验研究[J]. 工程热物理学报，2015，36(9)：2027－2031. Zhang Tao, Han Jitian, Yan Suying, et al. Simulation and experimental analysis of convection in solar evacuated tube[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2015, 36(9): 2027－2031. (in Chinese with English abstract)

[20] 张涛，韩吉田，田瑞，等. 全玻璃真空管太阳能集热器对流换热试验与模拟[J]. 农业工程学报，2016，32(5)：206－212. Zhang Tao, Han Jitian, Tian Rui, et al. Experiment and simulation for convective heat transfer in all-glass evacuated tube solar collectors[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(5): 206－212. (in Chinese with English abstract)

[21] Meng Qingshan, Han Jitian, Kong Lingjian, et al. Thermodynamic analysis of combined power generation system based on SOFC/GT and transcritical carbon dioxide cycle[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, 42(7): 4673－4678.

[22] 徐腊梅. 质子交换膜燃料电池模拟与优化[M]. 北京：国防工业出版社，2012.

[23] 张涛，韩吉田，赵红霞，等. 基于联供系统的太阳能光热/光电利用试验研究[J]. 东南大学学报：自然科学版，2018，48(4)：629－638. Zhang Tao, Han Jitian, Zhao Hongxie, et al. Experimental study on solar thermal utilization and solar photoelectricity conversion based on combined heating and power generation system[J]. Journal of Southeast University: Natural Science Edition, 2018, 48(4): 629－638. (in Chinese with English abstract)

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

国家自然科学基金国际(地区)合作交流资助项目（41761144067）；泰安市2018年科学技术发展计划（引导计划）（2018GX0077）

张 涛，博士，主要从事太阳能耦合燃料电池冷热电联供系统的研究。Email：760662923@qq.com。

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.029

TK519

A

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

张 涛，韩吉田，于泽庭，刘 洋. 太阳能耦合燃料电池联供系统余热回收的运行参数模拟研究[J]. 农业工程学报，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