学术研究报告：基于PEMEC-SOFC的多联产系统集成机械压缩与热能存储的热力学性能分析

一、作者及发表信息
本研究的通讯作者为华北电力大学能源动力与机械工程学院的Liqiang Duan教授，合作作者包括Nan Zheng、Xiaomeng Wang、Ziyi Lu和Hanfei Zhang。研究团队来自华北电力大学国家火力发电工程技术研究中心、可再生能源电力系统国家重点实验室以及教育部电站能量传递转换与系统重点实验室。该研究于2022年5月22日在线发表于期刊《Energy Conversion and Management》（卷265，文章编号115770）。

二、学术背景
可再生能源（如风能、太阳能）的间歇性和极端天气条件对电网稳定性提出了挑战。绿色氢能（green hydrogen）因其清洁、高能量密度和可运输性，被视为21世纪能源革命中理想的储能载体。质子交换膜电解池（Proton Exchange Membrane Electrolysis Cell, PEMEC）因其快速响应特性被广泛应用于绿色制氢，而固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）则因其高效、低排放的特点成为氢能发电的理想选择。然而，现有研究多聚焦于单一子系统（如PEMEC制氢或SOFC发电），缺乏对氢能“生产-存储-发电-热能利用”全链条集成的系统性研究。

本研究提出了一种新型多联产系统，将PEMEC与SOFC结合，并集成机械压缩储能（Mechanical Compression Energy Storage, MCES）和热能存储（Thermal Energy Storage, TES），旨在实现以下目标：
1. 通过MCES辅助PEMEC高效生产并存储高压氢气；
2. 利用氢燃料SOFC实现零温室气体排放的发电；
3. 通过TES回收压缩热和废气能量，以梯级方式供给吸收式制冷/热泵（Absorption Chiller/Heat Pump, AC/AH），实现冷、热、生活热水的联供。

三、研究流程与方法
1. 系统设计与建模
- 子系统构成：
- MCES辅助PEMEC子系统：PEMEC在70℃下电解去离子水生成氢气（阴极）和氧气（阳极），氢气通过MCES压缩至240 bar存储，氧气经两级压缩至200 bar存储。
- SOFC子系统：高压氢气和氧气经预热后分别通过氢涡轮（HT）和氧涡轮（OT）膨胀发电，未完全反应的氢气在燃烧器（Afterburner, AB）中与氧气燃烧，驱动燃气轮机（GT）发电。
- TES与AC/AH子系统：利用Therminol VP-1导热油回收压缩热和GT废气热量，通过双效溴化锂（LiBr）吸收式机组按季节需求提供冷/热负荷。
- 建模工具：采用Aspen HYSYS软件构建热力学模型，物性计算采用Peng-Robinson方程，假设系统处于稳态且忽略压力损失。

1. 实验与验证

   • PEMEC模型验证：基于Butler-Volmer方程和Nernst方程构建PEMEC电压模型，与实验数据对比显示最大相对偏差为1.31%。
     
   • SOFC模型验证：采用半经验模型计算实际电压，与文献数据对比显示最大偏差为1.68%。
     
   • AC/AH模型验证：与工程方程求解器（EES）结果对比，最大偏差为3.11%。
     

2. 性能评估方法

   • 能量与㶲分析：定义夏季、过渡季和冬季的系统能量效率（η_en）和㶲效率（η_ex），分别考虑净发电量、制冷/热量及生活热水的输出。
     
   • 敏感性分析：探究SOFC运行压力（1–13 bar）、温度（800–1000℃）及PEMEC运行压力（1–20 bar）、温度（50–90℃）对系统性能的影响。
     

四、主要结果
1. 设计工况下的系统性能
- 能量效率：夏季82.61%、过渡季79.36%、冬季87.30%；㶲效率分别为43.85%、44.47%、45.58%。
- 电力输出：SOFC（229.38 kW）、GT（65.36 kW）、HT（27.40 kW）、OT（12.67 kW）。
- 热能利用：TES回收的废热通过AC/AH提供夏季制冷（284.81 kW）和冬季供暖（322.36 kW）。

1. 关键参数影响

   • SOFC压力：压力从1 bar升至13 bar时，系统㶲输出夏季提升27.08%，SOFC能量效率从45.26%增至50.98%。
     
   • SOFC温度：温度从800℃升至1000℃时，SOFC能量效率从34.19%提升至53.72%。
     
   • PEMEC压力：最优压力为5 bar，此时系统㶲效率最高；压力超过5 bar后能量效率显著下降。
     
   • PEMEC温度：温度从50℃升至90℃时，PEMEC能量效率从67.23%提升至68.53%。
     

2. 㶲损失分布

   • PEMEC占总㶲损失的53.5%，主要源于电解过程的不可逆性；SOFC占8.8%，热交换器（HEX8）因大温差损失22.98%的㶲。
     

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 首次提出PEMEC-SOFC-MCES-TES多联产系统，实现了氢能“制-储-用-热回收”的全链条集成。
- 揭示了SOFC与PEMEC关键参数对系统性能的协同影响机制，为优化设计提供理论依据。

1. 应用价值：
   
   • 系统可灵活提供电力、氢气、氧气、冷/热及生活热水，适用于医院、酒店等多元场景。
     
   • 相比同类可再生能源多联产系统（如文献中太阳能-地热系统㶲效率19.1%–42.8%），本系统㶲效率提升至45.58%，具有显著优势。
     

六、研究亮点
1. 创新性设计：
- 通过MCES实现氢气高压存储（240 bar），减少储罐体积；TES梯级利用废热提升能量品位。
- 动态阀门策略实现季节性模式切换（夏季制冷/冬季供暖）。

1. 方法论贡献：
   
   • 结合Aspen HYSYS模拟与㶲分析，量化了各子系统不可逆损失，指明PEMEC电解反应是主要优化方向。
     

七、其他价值
研究提出的参数优化结论（如SOFC最佳压力5 bar、PEMEC最佳温度67℃）可直接指导工程实践，推动零碳能源系统的商业化应用。