基于质子交换膜燃料电池的冷热电联产系统研究进展

张东，张瑞，张彬，安周建，雷彻

（1 兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃 兰州 730050；2 甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室，甘肃 兰州 730050）

在“碳达峰，碳中和”历史背景下，我国能源结构优化和清洁能源利用率的上升促使传统的集中式供能系统逐渐向分布式能源系统转变。分布式能源系统是指在用户端智能组合、利用本地资源，以用户需求、经济和环境效益最优化来确定技术路径与容量规模，为用户提供价格合理、清洁、可靠的冷、热、电等能源的能源供应系统。同时，依托于先进信息技术以及微电网控制策略，分布式能源系统可以与电网进行并网互动，突破各设备自身局限，提高能源控制能力，建立多元化供应体系，已成为世界能源及电力领域的一个发展热点。冷热电联产（combined cooling heating and power，CCHP）系统是一种典型的分布式供能系统，可有效提高可再生能源利用率，减少世界化石燃料资源消耗。

为促进我国能源产业结构向低碳化转型，大幅度降低对传统化石能源的依赖，提升可再生能源等低碳能源在终端能源消费中的占比，氢气作为一种清洁高效的二次能源载体，以其绿色、零碳、可再生等特点受到国内外高度关注。太阳能、风能、生物质能等均是清洁、可再生能源，分布广泛，相比传统煤炭资源，在提倡碳减排的今天具有巨大优势，它们的推广符合国家可持续发展战略，为我国实现碳达峰、碳中和，控制CO排放总量，提供了有效途径。然而我国西北、华北等中西部地区“弃光弃风”仍然比较严重，国家能源局发布数据显示，2021年上半年，全国弃风电量约126.4亿千瓦时，弃风率3.6%，新疆、湖南、甘肃弃风率分别为8%、2%、4%；全国弃光电量约33.2亿千瓦时，弃光率2.1%，光伏消纳问题较为突出的西北地区、华北地区弃光率分别为4.9%和2%。基于我国可再生能源资源分布与天然气管网地理布局的禀赋，尤其是“一带一路”战略实施后高能耗行业西迁的条件，利用可再生能源发电进行电解水制氢来进行规模化储能、氢气管网远距离输送绿色氢气，着力打造我国西部氢能源产业基地。

以氢气为燃料的燃料电池产业成为近年来的发展热点，燃料电池将燃料和氧化剂的化学能直接转换为直流电能，是氢能转换为电能的有效装备和能源枢纽，其效率不受卡诺循环效率限制，具有能量转换效率高、负荷响应时间快、污染物排放低、稳定性好、环境友好、噪声水平低、可靠性高等显著优势。国内燃料电池在整机、电堆、双极板、膜电极、水热管理及控制、产业化应用等方面取得了显著进步。目前，燃料电池按电解质的不同主要分为以下5 类：质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）、磷酸燃料电池（phosphoric acid fuel cell，PAFC）、碱性燃料电池（alkaline fuel cell，AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（molten carbonate fuel cell，MCFC）以及固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，SOFC）。PEMFC 以其高效、小型化、较低的运行温度区间等特点成为住宅分布式能源系统的优秀原动机。

PEMFC 同时结合余热高效利用、电驱动或热驱动制冷、高效储能、能源系统管理等技术，可以实现冷、热、电等高效稳定输出，具有十分广阔的应用前景。对近10 年质子交换膜燃料电池冷热电联产系统文献进行检索。由图1可见，关于质子交换膜燃料电池冷热电联产系统的公开文献数量基本上呈现逐年上升的趋势，这说明世界上对相关领域的研究日益热烈。未来，住宅燃料电池冷热电联产被认为是一种很有前途的低碳技术，可以降低住宅能耗，实现能量联供与温室气体减排的目的。本文从基于质子交换膜燃料电池的冷热电联产（PEMFC-CCHP）系统的数学建模、运行策略、能源管理、多维评价、系统优化理论与应用等方面的研究进展进行了归纳总结，并提出了未来的研究方向。

图1 近10年关于质子交换膜燃料电池冷热电联供系统的文献统计

1 PEMFC-CCHP系统概述

1.1 PEMFC

PEMFC 是氢气与氧气反应生成水并释放出电能的技术。单片PEMFC 主要由阳极、阴极、气体扩散层、催化层及质子交换膜组成。其工作原理及结构如图2所示，氢气通过管道到达阳极，在催化剂作用下，氢分子解离为带正电的氢离子并释放出带负电的电子；氢离子穿过质子交换膜到达阴极，电子在外电路形成电流，向负载输出电能后到达阴极；氧气（或空气）通过管道到达阴极，氧气与氢离子及电子在阴极发生反应生成水，随反应尾气排出，并放出大量热。具体的化学反应方程式如式（1）～式（3）。

图2 PEMFC工作原理及结构

阳极

阴极

总反应

PEMFC 分为低温质子交换膜燃料电池（low temperature proton exchange membrane fuel cell，LT-PEMFC）和高温质子交换膜燃料电池（high temperature proton exchange membrane fuel cell，HTPEMFC）。LT-PEMFC 采用全氟磺酸质子交换膜，HT-PEMFC 的质子交换膜材料多为磷酸/聚苯并咪唑（PBI）。LT-PEMFC具有运行温度低、功率密度高等优点，其工作温度在80℃附近，产生的低品位热量回收后可用于空间加热，但存在水热管理复杂的问题。HT-PEMFC 的优势主要来自于工作温度的提高（150～180℃），尾气废热具有较高的利用价值，且电池运行中不存在液态水，内部水管理更加容易；耐CO 毒化能力大大增加，电池寿命有效提高；不需要加湿反应物，有效简化热回收系统；对氢气质量要求较低，使燃料处理器配置更简单，更适用于居民住宅。因此HT-PEMFC在CCHP领域表现出巨大利用潜力。

1.2 PEMFC热管理

PEMFC 中燃料的化学能转化为电能是放热反应，必须采取有效散热措施，否则电池堆温度将不断升高，电解质膜脱水、收缩甚至破裂，严重影响电池性能和系统安全。PEMFC 在运行过程中的产热主要包括可逆热、不可逆热、焦耳热和相变潜热四部分。其中，可逆热是指催化层中电化学反应产生的热量，与反应物前后物质的熵变及电化学反应速率有关；不可逆热则指催化层中克服活化损失而产生的热量；焦耳热又称欧姆热，是电池中电子电流和离子电流传导所产生的热量；相变潜热是指电池中水相变或电解质吸放水时所释放或吸收的热量。如图3 所示，PEMFC 主要有4 种热量来源：可逆与不可逆的化学反应热、焦耳热、吸收环境辐射热量以及加湿气体带入的热量。其散热途径主要包括电堆废气带走热量、循环水热传递、热辐射和自然对流损失热量。

图3 PEMFC热量流动

PEMFC余热占电池输入总能量的40%～60%。现阶段，PEMFC 电堆采用的冷却方式主要是空气冷却和冷却液循环排热。PEMFC 在实际应用常装配为电堆的形式，很容易出现各个单片电池间温度分布不均的问题，因此设计合理的冷却系统带走多余的热量，充分利用这部分热能，实现燃料电池的热电联产，其能源综合利用效率可达75%～95%，应用前景十分广阔。

1.3 PEMFC-CCHP系统工作原理

近年来，国内外学者在集成电池的微型热电联产的研究和开发方面进行了大量努力，特别是PEMFC在住宅分布式供能系统的应用上。PEMFCCCHP系统是燃料电池技术以及分布式能源系统交叉及发展的一个重要方向。以1kW 的PEMFC 为例，其建筑热电联供系统供电效率可达30%以上，热电综合效率超过80%。到目前为止，还没有特别有效的办法将氢气输送至家庭中并进行存储，因此，将制氢系统与燃料电池热电联供系统结合可以实现为家庭用户供能。通过可再生能源制氢、PEMFC技术、多能互补技术体系实现冷热电联产，满足村镇用户电力需求的同时，解决全年生活热水、制冷及冬季采暖需求。一方面可提升电解制氢在平抑新能源出力波动、参与电网调控方面的作用，另一方面能真正克服太阳能、风能等可再生能源的间歇性和波动性问题，实现冷热电供能的可持续发展。

基于可再生能源制氢的PEMFC-CCHP 系统利用太阳能、风能、空气能等可再生能源，以PEMFC 为核心动力单元进行热电联产，同时结合补热补电单元稳定供给居民生活用电、热水、采暖以及制冷等能源需求，其工作原理如图4所示。利用太阳能、风能等可再生能源进行电解水制氢，制得的氢气经过加湿预热系统进入PEMFC，燃料电池产生的电能经逆变器，将直流电转化为交流电，送入电网供用户使用，供电不足时从电网购买。发电过程中产生的大量余热，通过循环冷却水系统与热交换器交换，热交换器的热水经热水水箱分流，其中一部分通往加湿预热系统给PEMFC 电堆的进气进行加湿、预热处理；一部分通过供热管道提供给用户生活热水和进行建筑采暖；另一部分通往吸收式制冷机组或空气源热泵系统，用于夏季制冷及冬季供暖，用户可根据自身需求选择合适的制冷制热设备，当蓄热器中热量不足以维持系统热量输出时，由补热系统进行补热，保证能量供应的可靠性。PEMFC 耦合CCHP 技术，结合可再生能源制氢，不仅可以为用户提供电能，并且可以将燃料电池中释放的热量利用冷却水带走，用于用户供热，充分利用了二次能量，提高能源的利用效率。

图4 以可再生能源制氢为基础的PEMFC-CCHP系统

PEMFC-CCHP系统具有以下几个优势。

（1）节能 回收了PEMFC 产生的废热，提高了系统效率及能量利用率。

（2）环保 该系统运行时不会产生SO、NO以及颗粒物等有害物质，没有旋转运动部件，机械损失小，无噪声，对用户影响小。

（3）体积小 千瓦级PEMFC-CCHP 系统的体积与空调相近，存放十分方便，结构简单，维护方便。

（4）效率高 不受卡诺循环的限制，且设备安装在用户家中，大大减少电能传输的损失，提高了系统的发电效率。

（5）可靠 PEMFC 发电系统对负载变动响应速度快，且变负荷发电过程中效率波动不大，供电稳定性好。

2 PEMFC-CCHP系统研究进展

现阶段，PEMFC-CCHP 系统研究主要集中在多能互补系统构建、系统数学模型构建及求解、系统多维度评价与能源管理、系统优化理论与应用等方面。各个方面相互联系、相互作用、相互制约、相互调节，构建起高效稳定的PEMFC-CCHP系统。通过对国内外研究现状调研，总结出PEMFCCCHP系统研究脉络如图5所示。

图5 PEMFC-CCHP系统研究脉络

PEMFC与热泵、有机朗肯循环（organic Rankine cycle，ORC）机组、高效蓄能、热电制冷、可再生能源等有机组合成PEMFC-CCHP 联供系统，利用热力学、传热传质学、电化学等基础学科知识和商业编程语言对整个系统进行建模及求解。对系统内部以及不同系统间的能源管理策略、热力性能、环境效益、经济效益进行多维度定量评价，优化评价指标体系，科学运用评价结果，判断系统优劣，完善现行系统评价体系。最后结合优化算法对系统进行以能源、环境、经济为目标的单目标或多目标优化，确定系统最优容量配置、最佳运行参数及最高效的运行策略，同时兼顾储能影响，需求侧响应，电力、可再生能源及系统运维成本，实现系统高效、稳定、低碳、节能、经济的运行，提高实际应用的可靠性。

2.1 PEMFC耦合CCHP技术的集成系统

PEMFC 可与热泵、制冷技术、储热技术、储电技术、ORC 以及可再生能源进行有效集成，具备可观的发展前景。PEMFC-CCHP 的分布式供能系统能量转化关系如图6 所示。PEMFC 与热泵、储能结合，构成微型热电联产系统，可应用于不同气候区域的离网建筑，研究表明与基于内燃机的传统微型热电联产系统相比，每年可降低20%的燃料消耗。吸收式热泵可用余热驱动，对温度要求不高，可与LT-PEMFC 相结合，但吸收式热泵系统相比蒸气压缩式热泵更为复杂，不适合微型家用联产系统。而蒸气压缩式热泵的COP 较高，将其与燃料电池结合，系统性能增幅可达7.6%，且显著降低系统运行维护成本。燃料电池与生物质能、热泵耦合实现热电联产，系统㶲效率为29.2%。当加入锂电池储电设备时，热电联产的日耗氢量可减少14.47%，日运行费用可减少9.5%。由此，PEMFC耦合CCHP的各种集成系统在各个方面均得到相应的试验研究，其最终结果均表明PEMFC可适用于多种形式的CCHP系统。

图6 PEMFC-CCHP的分布式供能系统能量转化关系

Chang 等构建了8kW PEMFC 与ORC、蒸气压缩循环组成的联产系统，综合系统的平均性能系数为1.19（夏季）和1.42（冬季），平均㶲效率分别为46%和47%。张涛等构建了太阳能耦合PEMFC的联供系统，该系统利用40～45℃的低温太阳能集热器/空气源热泵热水系统，可有效吸收PEMFC循环冷却水热量，确保联供系统正常运行。何丽美等提出可逆PEMFC 和膨胀机相结合的新型CCHP综合能源系统，同时加入可再生能源发电设备，当可逆PEMFC电堆以50kW的发电功率运行时，该CCHP 综合能源系统的发电效率为56.2%，热效率为35.2%，总效率为91.4%，㶲效率为54%，且在15～85kW 的发电功率变化范围内系统能效均超过89%。邓锐将HT-PEMFC与单效溴化锂制冷机组结合构建CCHP 系统，系统能源利用率高达60%～90%。Chen 等将PEMFC 与抛物面槽式太阳能集热器、双效吸收式冷水机组集成混合CCHP系统，该系统的最高效率为80.5%。由此可见，结合可再生能源的PEMFC-CCHP 系统具有广阔的发展空间，其热电效率较高。

2.2 PEMFC-CCHP系统数学建模

在21 世纪前20 年内，随着能源科技工作者对能源综合利用效率的精益求精和科学探索，以往以发电为主要目的燃料电池技术实现了热电联产，其能源综合利用效率可达90%以上。在不同的工作温度下PEMFC 具有不同的热电联产性能，某些测试工况下最高电效率和热效率可达48%和44%。PEMFC-CCHP 系统性能可以通过系统建模仿真获得，其建模往往涉及热力学、电化学、传热传质学等物理学过程，系统的建模基于若干子系统的数学模型，涉及热经济性能、以逐时负荷为基础的动态性能及能量管理策略等。Jo 等建立了考虑燃料重整的5kW HT-PEMFC 家用热电联供系统模型，研究燃料重整过程的反应动力学。李晓嫣对千瓦级别的PEMFC 联供系统进行完整的建模，通过与已有的文献对比验证了模型的有效性。

PEMFC-CCHP 系统建模过程如图7 所示，其初始步骤包括：设置常数参数、初始化变量以及组件和子系统的建模后，将组件/子系统模型集成到整个系统模型中；利用实验或文献数据对系统模型进行仿真和验证；向系统提供负荷曲线数据。负荷数据通常包括住宅的电力、空间供冷供热和生活热水负荷等。根据负荷数据，可以对系统进行校准及调整，当达到足够的精度时，确定系统最终模型，提取输出值。在瞬态负载、考虑组件/子系统模型的几何建模情况下，必须在满载和部分负载条件下对系统模型进行仿真。

图7 PEMFC-CCHP系统建模流程[16]

对燃料电池驱动的冷热电联供系统的仿真模拟，大多采用自编程软件或较为成熟的商业软件（HYSYS，Aspen Plus，HOMER等）。Morad等利用HYSYS建立了多能互补综合能源系统的热力学模型，并根据计算结果用MATLAB 软件对燃料电池和碟式太阳能耦合系统进行了电化学建模。Jing 等使用HOMER 软件对基于燃料电池的联供系统与常规系统进行了并行仿真对比分析。Korsgaard 等使用MATLAB/Simulink 软件，结合实验验证，开发了HT-PEMFC 冷热电联产系统瞬态经验模型，该模型考虑了操作温度、阴极化学计量比、重整气体中一氧化碳含量以及电流密度的变化，以25 个单户住宅的瞬时能耗、电网电力和天然气价格作为输入，对一整年周期进行了模拟。

2.3 PEMFC-CCHP系统运行策略及能源管理

综合能源管理系统需要考虑能源需求、气候条件、能源成本和主辅能源效率的时变特性，同时其控制策略基于时变特性及真实管理场景。其变负荷调整主要有电跟随、热跟随和先进的实时跟随控制管理模式。各运行策略的特性见表1，运行方式的选择与所注重的系统性能评价指标直接相关，系统采取电跟随策略时，虽然多余的热量可以储存在储热罐中，但当燃料电池排出的热量与建筑物的热负荷相匹配时，燃料的消耗量会大幅减少。系统采用热跟随运行策略时，产生的热量必须满足需求，而电力可以根据需要输入和输出到中央电网，适用于没有储热的并网微型热电联产系统。因此，减少储热需求在空间、热损失和资本成本方面较为有利。混合运行策略为电跟随和热跟随相结合的运行模式，根据用户需求实时调控，例如在采暖季采用热跟随运行策略，非采暖季采用电跟随运行策略。混合运行策略兼具电跟随与热跟随的特点，联供系统分时段、分季节分别采用电跟随和热跟随，可以有多个目标：最大净电效率和系统效率，减少热量排放，最小化电网相互作用（对于并网系统）等，但具体的运行方式还需要根据功能系统的系统特性、负荷特点、电价成本等进行综合考虑。

表1 PEMFC-CCHP系统运行策略的主要特点

Kwan 等开发了一种实时能源管理策略，该策略可最小化一次能源消耗和启动时间，同时适当地平衡储能部件中的能量，可使一次能源利用率在冬季和夏季分别提高3.4%和5.6%。从能源价格的角度来看，与传统电网相比，基于燃料电池的热电联产系统的运行策略的选择取决于机组成本、燃料成本和生命周期成本等经济性因素。这些因素在不同的地点有所不同，在目前单位电力成本较高的地区，由于传统电网发电效率低，与热跟随策略相比，应用电跟随策略可消除电网的相互作用，将更为有利。

PEMFC-CCHP 系统高效协同的智能化能源管理策略是系统有效满足用户负荷和有序进行能量输运的基本保障。张兴梅等以60kW级PEMFC建筑热电联供系统为例，分析了用户电负荷及生活热水负荷的变化规律，模拟了能量供需的匹配与运行模式，考察了不同季节、不同时段系统对用户热电负荷的满足情况及系统实现的效率，按拟定策略运行时燃料节约情况及CO和NO的减排效果。李晓嫣在MATLAB/SIMULINK 平台上搭建了千瓦级PEMFC 联供系统的热电模型，采用电跟随策略，通过参考模拟工况下的电负荷与热负荷曲线研究了可变负载下系统的动态行为。同时，李晓嫣等针对PEMFC 热电联产系统中水冷式燃料电池的散热特性直接受用户侧热水器水温影响的特点，提出基于热水温度的热电联供运行方案，通过模拟家庭用户一天用能需求，表明该方案在满足居民日常热需求的同时，可以满足部分电需求，可有效节省能耗。赵洪波等提出了流量跟随电流及功率和应用神经网络自抗扰方法的两种热管理策略，实现了PEMFC 温度控制快速响应和稳定能量输出。Kang 等构建了基于蓄热的PEMFC 热管理系统，进行发电堆栈余热流体分配控制。Chen等提出了一种由PEMFC、太阳能集热器、固体氧化物电解槽和双朗肯循环组成的可再生能源多联产系统，考虑到全天的太阳辐射变化，该系统以3 种模式运行：太阳-PEMFC 模式、太阳-SOEC 模式和PEMFC 模式，其能效分别为37%、67%和82%，电解效率可达76%。

综合能源管理系统也需要进行深度优化控制，其高阶发展最终必然是优化问题。PEMFC-CCHP系统运行策略的优化，主要是根据建筑需求、气候条件、用户习惯以及电价成本等特性，在常规的供能系统运行模型的基础上衍生出的新型的、更加灵活的运行模式。Asensio 等基于具有非线性自回归外生结构的人工神经网络（ANN）建立了PEMFC-CCHP 系统能源管理系统优化控制模型，以最大限度地提高PEMFC 的能源效率，降低热电联产成本，该模型具有较高精度，可成为优化控制策略的有效工具。

2.4 PEMFC-CCHP系统多维度评价

PEMFC-CCHP 系统作为一个综合能源系统，其性能评价与分析可以采用涵盖热力学、环境、经济和社会等在内的多维度评价指标。PEMFCCCHP系统的常见评价指标见表2。同时，PEMFCCCHP系统多维度评价往往和系统多目标优化不可分割，相辅相成，多维度性能分析是多目标优化的基础，通过多目标优化可以获得较优的系统多维度性能。

表2 PEMFC-CCHP系统的常见评价指标

Chu 等从多目标优化角度入手分析，CCHP系统可实现减少39.6%的CO排放量和26.5%的一次能源消耗量。Liu 等利用能量和㶲方法建立了燃料电池与ORC 耦合的能源系统数学模型，系统综合能源利用率为79.48%、㶲效率为62.29%、CO捕获率为79.2kg/h。由PEMFC、吸收式冷水机组、泵、压缩机和蓄热水箱组成的CCHP系统与传统能源供应系统相比燃料节省率为45%，其最大㶲损失发生在PEMFC中，随着燃料电池尺寸的增大，冷水机组的能效和COP增加，但㶲效率降低。Sui等建立的PEMFC热电联产系统可有效减少65.99%的年CO排放量和66.74%的运行成本，其内部收益率为8.93%。同时，燃料电池与蒸汽压缩制冷热泵技术、吸收式制冷/制热技术、太阳能、生物质能等技术集成时，可显著减少系统的污染物排放，具有较优的环境效益。多属性评价指标是对系统优劣判断分析最直观的量化表现，通过其数值可以对系统好坏进行对比分析。

2.5 PEMFC-CCHP系统优化理论与应用

开发更好的CCHP系统需要对整个系统进行全面优化。尽管联供系统理论上优于传统分供系统，但联供系统的优化问题比仅含化石能源的传统和分布式能源系统更为复杂，且燃料电池开发中的高成本问题必须通过系统的优化设计来解决。在优化设计时，组件的建模、选择评估标准、系统设计的评估、系统控制和管理以及整体设计的优化等方面均要合理考虑，如图8 所示。PEMFC-CCHP 系统具有多能源、多能流、多输出的典型特征，是一个复杂的综合能源系统，从设备容量配置、运行参数确定、控制策略选择、能量输出最佳值、系统评价等方面均需要优化分析，以实现具体的热力学、经济性能或多属性的优化目标。其中系统的容量配置建模主要包含约束条件、优化指标、优化目标、优化算法4个方面，这4个方面在优化过程中相互关联，相互制约。CCHP系统多目标优化问题同时还需要考虑冷热电负荷动态变化的需求响应机制、储能系统的影响、可再生能源及冷热电市场价格、系统运维成本及可靠性等多方面。

图8 PEMFC-CCHP系统设计优化过程的一般步骤[74]

Arsalis 等概述了以PEMFC 和SOFC 为原动机的热电联产系统及其相关的热管理体系，指出与CHP 系统相比，其系统评估存在不完善，系统商业化很大程度上取决于技术、经济和环境参数的组合。Milcarek 等对基于燃料电池的微型热电联产系统进行了综述，涵盖了该系统商业化前景的基本方面，指出现有基于燃料电池的微型热电联产系统的年平均能源消耗量和相关的温室气体排放量被重点关注，而没有充分考虑负荷和供应的季节性和日常变化。Elmer等通过评估燃料电池技术、燃料电池的CCHP系统，提供了英国国内建筑环境中运行的燃料电池技术的最新综述，指出燃料电池技术推广过程中面临的主要挑战是其资本成本。Ellamla等从基于PEMFC和SOFC的热电联产系统的主要组成部分和实际应用等方面，综述了基于燃料电池的住宅热电联产系统研究现状，同样指出目前系统主要缺点是初始投资成本高。因此，目前PEMFC冷热电联供系统的优化目标多以经济为主。对于PEMFC-CCHP系统而言，常用的优化算法有帝企鹅优化算法、粒子群算法、人工神经网络、多目标遗传算法、遗传算法及动态规划以及各种改进的优化算法等。常见的优化目标包括最大化燃料（氢能）利用率、电效率、热效率和辅助系统性能（如热泵COP），最小化排放、最小化初投资和维护成本。同时，诸多的优化目标之间难以同时获得最优解，需要权衡各目标的权值，且权值会随着地域、时间等因素发生动态变化，优化点本身存在遗传性和迭代进化特性。表3 给出基于PEMFC联产系统的优化研究，并对其系统配置、优化目标和所采用的算法进行汇总。

表3 基于PEMFC联产系统的优化

Guo等针对PEMFC驱动的联供系统，分析比较改进的浮游算法与传统浮游算法、遗传算法的优化结果。Meng 等提出了基于各种需求响应的燃料电池热电联产系统成本和排放最小化多目标短期调度模型，进行了系统优化及最优调度研究。最优调度也可以同时考虑需求侧响应、排放和成本因素，获得综合最佳折中方案。采用人工神经网络模型，将PEMFC热电联产模型与电网模型集成，可以进一步优化系统的技术经济性指标。以遗传算法生成可行的解集，进而调用动态规划算法计算每个解的最优储能集合点，进一步可以考虑需求侧响应的CCHP系统运行优化。PEMFC-CCHP系统的容量配置和运行策略相互影响，单一考虑对该系统运行策略或者系统容量优化配置，都有很大局限性。

3 未来发展趋势

根据可再生资源的地域分布特点，基于可再生能源制氢的PEMFC-CCHP 系统在农村地区及离网区域具有广阔的应用前景。但现阶段该系统仍存在一些亟待解决的问题，系统有机整合缺乏明确的技术框架与气候适用性；系统优化及效率提升往往移植城市商业、民用建筑能源系统，缺乏对用户习惯、村镇建筑用能需求的适应性研究，落地难度大；无法实现多能互补联供系统配置优化与实时调控。今后学者们若进行此类研究，可以从以下4个方面开展。

（1）能源禀赋、供需整合与多尺度建模。传统供能系统一般用于商业建筑或城市民用建筑，其热电比一般在10 以内。而在热电比较大的地区，冷热负荷存在明显的季节性差异和全天时段性波动，这就要求系统要有足够的蓄能装置以及适用的运行策略，对系统的配置及运行两方面提出苛刻要求。现阶段，我国村镇建筑供能系统能源相互割裂，多物质流和多能流缺乏有机整合是系统综合能效较差的主要原因。迫切需要结合当地资源能源禀赋，探索有机整合与效率提升技术途径。PEMFC-CCHP系统具备分布式供能的典型特征和能源有机整合高效利用的巨大潜力，是解决我国村镇建筑冷、热、电等能源需求的方案之一。同时，针对这类系统的典型特征，进行多尺度建模是系统供需整合、能量匹配及优化的前提和基础，但现阶段多尺度建模的研究仍然很欠缺。多尺度建模是指对不同的区域或不同的尺度层次应用不同物理规律进行建模的方法，可以更好地反映系统的物性机理，为有效计算提供可能性。现有PEMFC模型和用于CCHP系统的实际建筑的集成式PEMFC 模型之间存在脱节，用于构建综合CCHP 系统的PEMFC 模型缺乏更复杂的动态能力。在PEMFC-CCHP 系统中进行多尺度建模给出电池内部传输过程的规律，准确反映电池中各物理量的空间时间分布，为整个系统的精准控制提供可靠依据。

（2）多能互补供能。归因于用户负荷的时域波动性及地域差异性，PEMFC-CCHP 系统需要与其他供能技术耦合，解决冷热电出力的匹配、供能高效及稳定性等问题。蒸汽压缩式热泵是PEMFCCCHP 系统良好的互补选择，同时结合高效蓄热、储电系统，可以最大化利用热泵节能性和稳定性，有效降低整个系统的运行成本，提高多能互补供能系统能量输出稳定性，显著降低排放，提高系统综合性能。如何统筹协调多种能源互补特性，通过源-网-荷-储等各环节灵活配置，实现可再生能源就地消纳，提升系统综合能效，实现用户与电网之间的双向互动，对该系统的研究具有十分重要的价值。

（3）系统评价方法及评价体系建立。基于可再生能源技术的多能互补供能系统是多输入、多输出、多物质流和多能流的复杂能源系统，利用热力学、传热学等基础理论建立的复杂能量循环系统。PEMFC-CCHP 系统在严寒及寒冷地区应用需要考虑PEMFC 的启动问题、满足用户电能需求的内部电池堆大小问题、燃料电池运行温度控制问题和系统补热补电问题，这些因素也使得系统较为复杂。系统能量转移转换规律及多因素耦合影响机理研究显得尤为重要，直接影响到系统性能评价指标的确立及体系的建立。并且PEMFC 内部电池堆以及较大容量的补热装置对系统的热力性能及经济性能势必产生巨大的影响。很多学者从节能性、减排率、经济性入手，揭示系统特定工况或短时性能，进而对系统进行单属性或多属性评价。但全面考虑可再生能源贡献、建筑及气候影响、多种能源集成情况和用户习惯和感受等，适用于高比例可再生能源输入的村镇建筑供用能系统评价方法与评价体系比较欠缺或不完善。

（4）系统集成优化。采用先进优化算法，以最大化能源利用、最小化投资及排放等为目标，可以获得PEMFC-PEMFC 系统最优配置及运行控制策略，但优化多集中在区域能源宏观层面协同调配及性能提升方面，联产系统多样化特征及高度耦合特性增加了协调能源供应以满足需求的难度，特别是受到区域气候环境、村镇建筑特点、用能习惯等因素的强烈影响。特别缺乏供用能端能源转化与耦合规律和多能流、多物质流的主动协同控制和智能优化方法，对联供系统高效运行产生诸多障碍。

总之，基于可再生能源制氢的PEMFC-CCHP系统由诸多类型的设备构成，设备间相互依存、相互影响，而且系统与环境温湿度、燃料进料比存在密切的联系，各因素或因素群间亦存在复杂的相互影响和耦合关系。未来该系统的研究，需要以用户侧冷、热、电能源需求为依据，通过系统多尺度建模、实验验证等方法，定量研究多种运行模式下，各因素间耦合影响定量规律，揭示系统的能量特性，从建立适宜于本系统的性能评价体系及优化算法，协同研究系统内部结构最优配置关系及优化运行控制策略入手，得到更为全面高效稳定的PEMFC-CCHP 系统，为系统的推广应用提供基础性支撑。

4 结语

通过PEMFC、高效储能、多能互补技术实现冷热电联产，形成PEMFC-CCHP分布式供能系统，可以有效解决我国村镇居民电力、生活热水、制冷和采暖需求，在我国城镇化进程及美丽乡村建设过程中具有鲜活的生命力。但目前系统的有机整合缺乏明确的技术框架与气候适用性；缺乏对用户习惯、村镇建筑用能需求的适应性研究；并缺乏对多能互补联供系统的配置优化与实时调控等。且国内PEMFC-CCHP 系统还处于初步阶段，该系统的研究能够为国内燃料电池联供系统的实际应用提供参考。本文全面综述了PEMFC-CCHP 系统的研究进展，提出该领域目前面临的主要问题及未来发展方向。今后，PEMFC-CCHP 系统会面临更多的挑战与机遇，相信随着科学研究的不断深入，技术的不断优化、政府企业的大力支持，PEMFC-CCHP 系统将在我国分布式供能领域展现出巨大的优越性和强大的生命力。