基于PEMFC的热电联产系统（银杉蓄电池辅助加热）的寿命与效率分析及优化
发布时间：2026-08-11 22:00:53 点击： 次
本文提出了基于质子交换膜燃料电池（PEMFC）的热电联产（CHP）系统模型，包括PEMFC老化模型、电池老化模型和子部件模型。在低温环境下，PEMFC堆栈的热量产生被用来为 锂离子蓄电池提供辅助加热，大大减缓其容量降解速度。研究了多个参数（PEMFC工作电流、PEMFC温度、电池温度和电池初始容量）对整个系统寿命和效率的影响。为了提高系统寿命和效率，这些参数通过非支配排序遗传算法（NSGA-II.）进行优化，并通过技术选择与理想解的相似度（TOPSIS）来选择顺序偏好。结果显示，电池辅助加热不仅使系统寿命延长了5.15%，而且与无辅助加热的系统相比，基于PEMFC的CHP系统的能耗利用率提高了6.53%。在初始电池容量40Ah下，优化参数可进一步延长系统寿命4.87%，效率提升4.48%，优化寿命7749小时，效率80.44%。优化后的PEMFC堆栈功率提升42瓦，电流密度为0.76 A/cm2延长老化时间，并将电池温度稳定在25.09°C。 本研究为提升PEMFC-CHP系统的寿命和效率提供了指导。
燃料电池是一种有前景的技术，可以减少石油资源消耗和温室气体排放[1]。质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其低工作温度、快速启动、高响应性和高功率密度，是便携式和固定式应用中最受欢迎的类型[2]。在使用燃料电池时，消耗的氢气的化学能被转化为电能和热能。有效利用这两种能源形式可以大大提升燃料电池系统的能源利用率[3]。因此，基于PEMFC的热电联产（CHP）系统获得了广泛关注。这些系统可以同时为住宅用户提供日常生活所需的电力和热能。CHP系统不仅需要共用的燃料电池堆（能源供应元件），还需要热水储罐和锂离子蓄电池（储能元件）以协助峰值转换，因为用户端电力和热量需求可能出现更剧烈的波动[4]。锂离子电池因其优异的动态性能和连续充放电特性而被选中，这些电池可作为CHP系统的辅助能源，提升动态响应性能[5]。基于PEMFC的CHP系统具有广泛的潜在应用，燃料电池与储能元件的集成日益普及。Toughzaoui等人[6]提出了一种创新的燃料电池CHP系统，旨在提升医院环境中的能源效率，主要利用光伏板收集的太阳能发电。为氢能高速服务区，Hou等人[7]设计了一种基于PEMFC的混合型CHPs，既提供电力又供热。对于高湿度需求的数据中心，赵等人[8]提出了一种新型结合制冷、供暖和电力（CCHP）系统，兼具除湿功能，能够同时提供制冷、供暖、电力和除湿。
针对基于PEMFC的CHP系统设计进行了大量研究，以提升效率、经济性和环保性。赵等人[9]提出了一种基于PEMFC的新型联合制冷、供暖和电力（CCHP）系统，并考察了PEMFC和制冷系统运行参数对能源、消耗、经济和环境的影响。Ebrahimi等人[10]提出了一种基于PEMFC的新型微型CCHP系统，三代循环的整体效率为76.94%，燃油节约为43.25%。Chen 等人[11]建立了PEMFC系统热力学模型，并引入了基于分解的新型多目标进化算法，将系统能效提升至79%。Zhi 等人[12]提出了从经济学、环境和热力学角度分析的CCHP系统优化方法。该系统通过改进的蝴蝶算法进行优化，最终运动能效从33.9%提升至47.1%，年温室气体（GHG）排放量从5.24×10提升6g到2.67×107加仑和年成本分别从26370美元降至3139美元。Oh 等人[13]根据韩国公寓在三种不同季节（春/秋、夏、冬）的每日电力和供暖需求，确定了基于1千瓦PEMFC的CHP系统的最佳运行条件。可以注意到，上述工作通常优化了PEMFC-CHP系统，但常常忽视利用过程中可能的性能下降。然而，性能下降和寿命有限是阻碍热电联产（CHP）系统商业化的根本因素[14]。因此，在基于PEMFC的CHP系统与蓄电池长时间使用时，性能下降是不可避免的[15]。在系统中的所有组件中，PEMFC堆栈和电池的劣化尤为显著。
PEMFC的降解受多种参数影响，这些参数会诱导燃料电池电压/性能下降和寿命缩短[16]。许多研究者此前已对PEMFC堆栈的老化过程进行了建模和研究。Chen 等人[17]提出了基于车辆运行记录和实验室实验结果预测 PEMFC 寿命的公式，实现了 PEMFC 寿命的快速预测。Hu 等人[18]提出了一个重建模型，用于预测城市公交燃料电池寿命，将电压模型分为三部分以简化装配过程，并验证了模型的可靠性和稳健性。Cheng等人[19]提出了一种混合预后方法，结合了数据驱动方法——最小二乘支持向量机（LSSVM）和基于模型的方法——正则化粒子滤波器（RPF），为PEMFC提供了更高的生命预测准确率。基于深入的文献综述和退化分析，Jouin等人[20]提出了一种用于PEMFC堆栈衰老框架构建和预测的建模方法，并在四个具有不同任务配置的数据集上进行了健康评估和预测验证。Chen 等人[21]提出了一个降解模型，用于估计 PEMFC 堆栈的寿命和降解特性，并研究了这些堆栈的热力学和经济行为。上述文献表明，PEMFC老化有许多经过验证的模型，值得注意的是，目前只有少数研究能够同时纳入PEMFC和电池老化的模型，但PEMFC与电池的整合已成为普遍做法。因此，构建一个包含所有子组件老化的系统模型至关重要。
除了PEMFC外，电池的老化和退化也会影响系统的寿命。电池在高温环境下运行时需要适当的冷却，而低温工作温度也会显著降低电池性能和可用容量[22]。与20°C的工作温度相比，电池充电性能在−10°C时下降10–20%，在−20°C时降低40–50%[23]。Wu等人[24]在0.5°C恒流恒压下，电池在150个周期后健康状态（SOH）下降了22%。 欧阳等[25]观察到，在0.5摄氏度和−10摄氏度下充电40次后，电池的平均充电容量仅维持标称容量的75.54%。因此，在低温环境下为电池提供辅助加热至关重要[26]。已有多种辅助加热技术被提出，分为内部加热或外部加热[27]。内部加热方式中，可嵌入锂离子电池中加热元件以实现自加热，加热时间短且温度均匀。然而，这种方法可能会加剧降解[23]。液体加热因其在加热效率、系统复杂性和可靠性之间取得了最佳平衡，已成为电池低温热管理的常用外部加热方法[28]。然而，仅研究电池而不考虑PEMFC及整体系统运行是不合适的。此外，仅考虑蓄电池会忽视整个系统的效率，不利于整体系统优化。鉴于上述考虑，本研究的背景是整个CHP系统，包括PEMFC和储能电池。
基于PEMFC的CHP系统在运行时通过冷却水产生大量热能，因此利用部分热量为电池提供液体外部辅助加热的有效方法。这使电池在低温环境下保持更好的工作温度，确保最佳的充放电性能，减缓可用容量的退化。事实上，上述概念可以集成到任何燃料电池与电池结合系统中，从而提升整个系统的寿命和效率，如图1所示。
鉴于低温运行环境的存在，本研究提出了基于PEMFC的CHP系统，包括电池辅助加热，并建立相应的系统模型以计算系统的寿命和效率，随后通过非支配排序遗传算法（NSGA-II.）优化系统参数。与单个组件的寿命不同，整个系统的寿命定义为系统逐渐老化到无法满足用户电力或热需求的总使用时间。它更像是单个组件寿命的组合，系统一旦某个组件未能满足运行需求，就达到其使用寿命。本研究结构如下：首先构建综合CHP系统的模型，包括系统组件模型，如PEMFC老化模型和电池老化模型，计算系统寿命和效率。其次，比较了有无辅助加热电池的两种系统。研究系统在不同工作环境下的效率和寿命，以确定辅助加热对电池的提升。最后，系统运行参数通过NSGA-II进行优化，包括优化PEMFC工作电流、PEMFC温度和电池温度。然后通过通过与理想溶液相似度（TOPSIS）进行排序偏好技术，选择操作参数，以获得基于PEMFC的CHP系统的最佳寿命、寿命和效率。
简介
针对基于PEMFC的CHP系统设计进行了大量研究，以提升效率、经济性和环保性。赵等人[9]提出了一种基于PEMFC的新型联合制冷、供暖和电力（CCHP）系统，并考察了PEMFC和制冷系统运行参数对能源、消耗、经济和环境的影响。Ebrahimi等人[10]提出了一种基于PEMFC的新型微型CCHP系统，三代循环的整体效率为76.94%，燃油节约为43.25%。Chen 等人[11]建立了PEMFC系统热力学模型，并引入了基于分解的新型多目标进化算法，将系统能效提升至79%。Zhi 等人[12]提出了从经济学、环境和热力学角度分析的CCHP系统优化方法。该系统通过改进的蝴蝶算法进行优化，最终运动能效从33.9%提升至47.1%，年温室气体（GHG）排放量从5.24×10提升6g到2.67×107加仑和年成本分别从26370美元降至3139美元。Oh 等人[13]根据韩国公寓在三种不同季节（春/秋、夏、冬）的每日电力和供暖需求，确定了基于1千瓦PEMFC的CHP系统的最佳运行条件。可以注意到，上述工作通常优化了PEMFC-CHP系统，但常常忽视利用过程中可能的性能下降。然而，性能下降和寿命有限是阻碍热电联产（CHP）系统商业化的根本因素[14]。因此，在基于PEMFC的CHP系统与蓄电池长时间使用时，性能下降是不可避免的[15]。在系统中的所有组件中，PEMFC堆栈和电池的劣化尤为显著。
PEMFC的降解受多种参数影响，这些参数会诱导燃料电池电压/性能下降和寿命缩短[16]。许多研究者此前已对PEMFC堆栈的老化过程进行了建模和研究。Chen 等人[17]提出了基于车辆运行记录和实验室实验结果预测 PEMFC 寿命的公式，实现了 PEMFC 寿命的快速预测。Hu 等人[18]提出了一个重建模型，用于预测城市公交燃料电池寿命，将电压模型分为三部分以简化装配过程，并验证了模型的可靠性和稳健性。Cheng等人[19]提出了一种混合预后方法，结合了数据驱动方法——最小二乘支持向量机（LSSVM）和基于模型的方法——正则化粒子滤波器（RPF），为PEMFC提供了更高的生命预测准确率。基于深入的文献综述和退化分析，Jouin等人[20]提出了一种用于PEMFC堆栈衰老框架构建和预测的建模方法，并在四个具有不同任务配置的数据集上进行了健康评估和预测验证。Chen 等人[21]提出了一个降解模型，用于估计 PEMFC 堆栈的寿命和降解特性，并研究了这些堆栈的热力学和经济行为。上述文献表明，PEMFC老化有许多经过验证的模型，值得注意的是，目前只有少数研究能够同时纳入PEMFC和电池老化的模型，但PEMFC与电池的整合已成为普遍做法。因此，构建一个包含所有子组件老化的系统模型至关重要。
除了PEMFC外，电池的老化和退化也会影响系统的寿命。电池在高温环境下运行时需要适当的冷却，而低温工作温度也会显著降低电池性能和可用容量[22]。与20°C的工作温度相比，电池充电性能在−10°C时下降10–20%，在−20°C时降低40–50%[23]。Wu等人[24]在0.5°C恒流恒压下，电池在150个周期后健康状态（SOH）下降了22%。 欧阳等[25]观察到，在0.5摄氏度和−10摄氏度下充电40次后，电池的平均充电容量仅维持标称容量的75.54%。因此，在低温环境下为电池提供辅助加热至关重要[26]。已有多种辅助加热技术被提出，分为内部加热或外部加热[27]。内部加热方式中，可嵌入锂离子电池中加热元件以实现自加热，加热时间短且温度均匀。然而，这种方法可能会加剧降解[23]。液体加热因其在加热效率、系统复杂性和可靠性之间取得了最佳平衡，已成为电池低温热管理的常用外部加热方法[28]。然而，仅研究电池而不考虑PEMFC及整体系统运行是不合适的。此外，仅考虑蓄电池会忽视整个系统的效率，不利于整体系统优化。鉴于上述考虑，本研究的背景是整个CHP系统，包括PEMFC和储能电池。
基于PEMFC的CHP系统在运行时通过冷却水产生大量热能，因此利用部分热量为电池提供液体外部辅助加热的有效方法。这使电池在低温环境下保持更好的工作温度，确保最佳的充放电性能，减缓可用容量的退化。事实上，上述概念可以集成到任何燃料电池与电池结合系统中，从而提升整个系统的寿命和效率，如图1所示。
鉴于低温运行环境的存在，本研究提出了基于PEMFC的CHP系统，包括电池辅助加热，并建立相应的系统模型以计算系统的寿命和效率，随后通过非支配排序遗传算法（NSGA-II.）优化系统参数。与单个组件的寿命不同，整个系统的寿命定义为系统逐渐老化到无法满足用户电力或热需求的总使用时间。它更像是单个组件寿命的组合，系统一旦某个组件未能满足运行需求，就达到其使用寿命。本研究结构如下：首先构建综合CHP系统的模型，包括系统组件模型，如PEMFC老化模型和电池老化模型，计算系统寿命和效率。其次，比较了有无辅助加热电池的两种系统。研究系统在不同工作环境下的效率和寿命，以确定辅助加热对电池的提升。最后，系统运行参数通过NSGA-II进行优化，包括优化PEMFC工作电流、PEMFC温度和电池温度。然后通过通过与理想溶液相似度（TOPSIS）进行排序偏好技术，选择操作参数，以获得基于PEMFC的CHP系统的最佳寿命、寿命和效率。