基于太阳能、生物质能、地热能和风能的PEMFC-ORC集成式并网可再生氢生产系统的全面4E分析及性能优化评估

《Renewable Energy Focus》：Comprehensive 4E analysis and optimized performance evaluation of grid-connected renewable hydrogen production systems integrated with PEMFC-ORC using solar, biomass, geothermal, and wind energy

　　摘要：本研究强调了将太阳能、生物质能、地热能和风能与质子交换膜燃料电池结合用于绿色且可靠的并网发电的重要性。通过整合这四种可再生能源，质子交换膜电解槽能够高效生成氢气，这些氢气随后被储存起来，并在质子交换膜燃料电池中使用，从而确保持续稳定的清洁能源供应。这种方法不仅最大限度地利用了各种可再生资源，还提升了能源安全并减少了温室气体排放，有助于实现可持续的能源未来。在本研究中，对所提出的配置进行了4E分析。在所考虑的方案中，四种不同的可再生能源在质子交换膜电解槽中产生绿色氢气，这些氢气再被注入质子交换膜燃料电池中用于发电。此外，质子交换膜燃料电池的废热通过底部有机朗肯循环得到回收。研究结果表明，在最佳输出性能模式下，以生物质为能源的系统具有最高的?效率（6.25%），而以地热能为能源的系统则具有最低的总成本率和单位成本（分别为25.89美元/小时和45.77美元/吉焦）。在地热能系统的最佳情况下，顶部系统每小时可生产3.167公斤的绿色氢气，其单位成本为29.98美元/吉焦（4.25美元/公斤）。这些氢气随后被输送到底部的质子交换膜燃料电池-有机朗肯循环系统中，该系统可产生49.2千瓦的电能。在这种配置下，所产生电能的单位成本为45.77美元/吉焦。

引言：在全球努力减缓气候变化和提升能源安全的推动下，近年来可再生能源的部署速度取得了前所未有的发展[1]、[2]、[3]。根据国际可再生能源机构的数据，截至2024年底，全球可再生能源装机容量达到了4,448吉瓦（4.448太瓦），创下了每年585吉瓦的新增记录。其中，太阳能光伏技术占据主导地位，装机容量为1,865吉瓦，其次是风能，装机容量为1,133吉瓦，而水力发电、生物能源和地热能的装机容量分别约为1,283吉瓦、151吉瓦和15吉瓦。这一快速的发展态势表明，由于技术成本下降以及有利政策框架的推动，全球正在加速向低碳能源系统转型[4]。利用可再生能源生产的氢气来驱动质子交换膜燃料电池，有望为寻求可持续能源解决方案带来重大突破。通过将清洁能源产生的氢气与质子交换膜燃料电池的高效率及低排放特性相结合，可以构建一个强大且环保的能源系统[5]、[6]。这种协同作用在从交通运输到固定式发电的各类应用中都具有重要意义，有助于减少化石燃料的使用和温室气体排放[7]、[8]。这种能源组合的未来潜力在于它能够彻底改变能源行业，推动零排放车辆的普及以及分布式电网的发展[9]、[10]。

质子交换膜燃料电池系统：由于效率高且具有环境效益，质子交换膜燃料电池在发电领域发挥着重要作用。它们不仅被应用于燃料电池汽车，也被视为解决传统发电装置环境问题的理想选择[11]。质子交换膜燃料电池具有高功率密度和低运行温度的特点，能够以极低的排放量将氢气和生物质转化为电能[12]。因此，将质子交换膜燃料电池用于发电可以显著减少温室气体和其他污染物，从而有效应对重大的环境挑战。通过应用质子交换膜燃料电池，可以营造更加清洁和可持续的能源环境，促进生态保护并降低对化石燃料的依赖[13]。

已有许多研究对此主题进行了深入探讨。例如，赵等人[14]利用质子交换膜燃料电池的废热来加温进入有机朗肯循环涡轮机的有机流体。该系统使用了五种不同的工作流体进行了能量分析。燃料电池的运行压力在100至400千帕之间，运行温度为85摄氏度。研究分析了质子交换膜燃料电池的电流密度、流量、运行压力以及有机朗肯循环涡轮机的进出口压力对其输出特性的影响，结果显示能量效率提升了5%。Montazerinejad等人[15]对参考文献[14]中的系统进行了更深入的?分析，得出总能量损失为484.4千瓦，电能效率为44.81%。他们还发现质子交换膜燃料电池的?损失最大。Ahmadi等人[16]则采用了跨临界二氧化碳朗肯循环来回收质子交换膜燃料电池的废热，同时使用液化天然气子系统来吸收朗肯循环中的热量。他们从能量角度对这一系统进行了研究，分析了五个重要输入因素对输出参数的影响，整个系统的能量效率为72%，而单独使用质子交换膜燃料电池时的能量效率仅为39%。Fakhari等人[17]从?经济角度研究了质子交换膜燃料电池与有机朗肯循环的组合系统，他们测试了20种不同的共沸工作流体，并比较了它们的性能。研究结果表明，使用R601a/己烷时性能最佳，此时计算得到的总成本和净?效率分别为10.7美元/小时和49.52%。Li等人[18]研究了将质子交换膜燃料电池集成到由地热能驱动的双涡轮闪蒸有机循环系统中的效果，进行了全面的参数分析和优化。研究结果显示，该系统产生的电能在245.9千瓦到1628.9千瓦之间，净?效率在23.77%到36.19%之间。Musharavati等人[19]对一种包含太阳能池、有机朗肯循环、质子交换膜燃料电池和热电发电机的耦合系统进行了热经济性研究，得到的能量效率和?效率分别为11.26%和13.17%。他们还给出了该系统每小时的总成本为384美元。Marandi等人[20]采用了两个并联的有机朗肯循环来回收质子交换膜燃料电池的废热，这些有机朗肯循环还利用氢气蒸发气作为能量排放介质。他们认为这种设计方案可产生1353千瓦的电力，系统的能量效率和?效率分别为58.15%和36.64%。Malik等人[21]通过加入质子交换膜燃料电池和热电发电机，提升了地热卡利纳循环的效率。他们对所研究的系统进行了全面的参数分析、优化以及?经济性分析，研究了氨气质量浓度、质子交换膜燃料电池温度、涡轮机进气压力以及热交换器输入温度这四个输入因素对输出参数的影响，结果表明加入质子交换膜燃料电池和热电发电机后，系统的?经济性能更好。Yu等人[22]通过将质子交换膜燃料电池与有机闪蒸循环及喷射系统相结合，实现了同时发电和制冷的功能。质子交换膜燃料电池的废热温度在70至85摄氏度之间，而制冷温度为2摄氏度。他们在所设计的配置基础上进行了第一定律和第二定律分析，得到的净电能效率为8.83%，净?效率为34.11%。Baniasadi等人[23]评估了一种三联产装置的输出指标。该装置利用甲烷为质子交换膜燃料电池提供动力，而加热装置和空气热泵则由质子交换膜燃料电池产生的废热驱动。他们根据热源温度、质子交换膜燃料电池压力、温度以及电流密度等因素对系统的性能进行了评估，该装置能够产生7.6摄氏度的冷水，而质子交换膜燃料电池的运行温度则在70至95摄氏度之间。他们发现，该系统的净电能效率和净?效率分别在0.74–0.8%和0.3–0.36%之间。Fakhari等人[24]采用生物质气化作为质子交换膜燃料电池系统的能源，用于多效海水淡化。此外，他们还利用质子交换膜燃料电池的废热在有机朗肯循环中产生额外的电力，在热交换器中产生热量，从而使该系统转变为能够同时产生淡水、热能和电力的三联产系统。通过三目标优化，他们得到了该系统的净?效率为23.43%，总成本为64.91美元/小时，可产生的饮用水体积为162.8立方米/天。Ebrahimi和Derakhshan[25]提出了一种基于质子交换膜燃料电池废热回收的新型三联产设计，该设计主要利用顶部系统未使用的能量为吸附式制冷机和加热热交换器提供动力，剩余的热量则用于驱动热电发电机。他们测定该系统的净电能效率为75%，净?效率为53%。Chahartaghi和Kharkeshi[26]利用质子交换膜燃料电池的废热驱动了一种三联产系统，该系统包括质子交换膜燃料电池、压缩机、泵、空气热泵以及储液罐。他们指出，质子交换膜燃料电池是能量损失最大的部分，同时该系统的净电能效率为81.5%，净?效率为54.5%。此外，该系统中蒸发器、热水以及质子交换膜燃料电池的温度分别为5.4摄氏度、80摄氏度和80摄氏度。Chang等人[27]将质子交换膜燃料电池的废热传递给有机朗肯循环，然后让加热热交换器回收有机朗肯循环失去的热量，再让压缩式制冷机利用有机朗肯循环的输出电力来提供制冷功能。他们对比了有机朗肯循环中的六种工作流体，研究结果表明，该系统能够产生20千瓦的供热能力、12.5千瓦的制冷能力和8千瓦的发电能力，夏季的净?效率为46%，冬季为47%。

可再生能源氢气与质子交换膜燃料电池的结合：在发电方案中，利用可再生能源为电解槽提供动力，并用生成的氢气驱动质子交换膜燃料电池，是一种绿色的选择。关于可再生能源氢气与质子交换膜燃料电池的结合，Shaygan等人[28]开发了一种结合了电解槽和质子交换膜燃料电池的系统。该系统中的质子交换膜燃料电池使用电解槽产生的氢气，同时他们还利用光伏板为电解槽供电。研究发现，该系统的年平均能源利用率和能源效率分别为21.8%和20.4%。为了更有效地回收废热，Azad等人[29]将质子交换膜燃料电池与两级有机朗肯循环相结合，质子交换膜燃料电池的氢气由质子交换膜电解槽提供，影响系统性能的关键因素包括质子交换膜燃料电池的运行温度、运行压力、电流密度以及有机朗肯循环涡轮机的进口温度。这种有机朗肯循环与质子交换膜燃料电池相结合的设计使系统的效率提升了1.9%，整体成本率则在1.36美元/小时到14.49美元/小时之间。Razmi等人[30]提出了一种在高峰需求时段用于生产绿色氢气的独特方案，该系统包括质子交换膜燃料电池、质子交换膜电解槽以及太阳能蒸汽朗肯循环，系统中产生的太阳能绿色电力被送入质子交换膜电解槽，而生成的氢气则用于驱动质子交换膜燃料电池。研究结果表明，该系统的净?效率为17.6%，总成本为492.4美元/小时。Rostami等人[31]提出了一种基于质子交换膜燃料电池的三联产系统，可用于同时产生电力、热能和氢气。在该系统中，碱性电解槽由有机朗肯循环和太阳能产生的电力驱动，质子交换膜燃料电池则使用电解槽产生的氢气，此外还有一台底部热电发电机用于提供额外的电力。如果该系统能够产生140.8千瓦的供热能力、22.5千瓦的发电能力和97.3克/小时的氢气产量，其效率可达60.3%。Alirahmi等人[32]的研究中，地热级联有机朗肯循环产生的电能被引入质子交换膜电解槽，质子交换膜电解槽产生的氢气则被用于质子交换膜燃料电池，以此在用电高峰期为电网提供支持，满足不同时段的电力需求。在该系统中，他们进行了参数分析以及多目标优化，最终得出的净?效率最优值为62.19%，总成本最优值为18.55美元/小时。Shahverdian等人[33]在离网应用中结合了光伏模块、电解槽和质子交换膜燃料电池用于发电。在所设计的系统中，光伏模块在白天产生电力，当光伏发电量过剩时，电解槽会生成氢气，这些氢气随后被压缩并储存在氢气储罐中，而在氢气不足时，储存在储罐中的氢气就会进入质子交换膜燃料电池，为系统提供所需的额外动力。研究结果表明，与基准情况相比，该系统的能源产量和水足迹分别提高了18.32%和24.69%。此外，电力的平准化成本为每千瓦时0.2917美元。在另一项研究中，Shahverdian等人[34]使用光伏组件和风力涡轮机为PEM燃料电池和电解槽供电，这些设备相互连接以实现能量存储。该优化后的混合系统与仅依靠光伏或仅依靠风力涡轮机发电的方案进行了对比。从投资回报期来看，所评估的混合系统比单独的风力或太阳能系统分别好27.72%和46.92%。此外，该混合系统的成本为每千瓦时0.2475美元。Yilmaz和Sun[35]利用地热能和太阳能ORC运行PEME，生成的氢气用于为PEMFC供电。在阿菲永地热发电厂，水的温度和质量流量分别在70至130摄氏度以及70至150千克/秒之间变化。同时，太阳辐射强度在300至1000瓦/平方米之间波动。根据研究结果，该集成系统的ηen,net和ηex,net分别为16.0%和4.97%。而且，燃料电池中氢气发电的最佳单位成本为0.091美元/千瓦时。Ishaq等人[36]研究了一种将风力涡轮机、氢燃料电池和PEME结合起来的系统，用于为居民社区提供电力和热能。在风速较高的时候，多余的电能被用来通过电解法生产氢气，这些氢气会被储存起来，以便在风速较低时用于燃料电池。当需求较大时，燃料电池就会启动，为家庭提供热能和电力。研究表明，在风速为5米/秒的情况下，该系统的ηen,net和ηex,net分别为20.2%和21.2%。

本研究的主要特点：现有文献中有不少研究探讨了利用可再生能源驱动的电解槽来生产绿色氢气，也有研究关注PEMFC。然而，只有少数研究着眼于将PEMFC与绿色氢气结合用于发电系统。表1汇总了这些研究情况。可见，关于将可再生氢气与PEMFC结合的研究十分有限，而且也没有针对不同可再生氢气与PEMFC的比较研究。因此，有必要对不同可再生能源与PEMFC结合使用的优势与劣势进行全面分析和比较。本研究旨在通过评估和确定最佳组合来填补这一研究空白。在本研究中，绿色氢气是通过由四种不同的可再生能源——太阳能、生物质能、地热能和风能——驱动的质子交换膜电解槽（PEME）产生的。之后，利用所生成并储存的氢气在PEMFC中产生电力。ORC则利用PEMFC子系统排放的能量来产生额外的电力。为了从4E的角度确定最优配置，经过对关键参数的广泛参数研究后，采用了多目标优化方法。

**方法论**
第2.1小节首先对系统进行了简要介绍。随后，第2.2、2.3和2.4小节分别阐述了所做出的假设、控制方程的建立以及关键输出结果的确定。第2.5小节介绍了所采用的优化方法，第2.6小节则通过对比来验证仿真结果。

**结果与讨论**
第3.1小节首先介绍了仿真的基准输入参数。第3.2小节对四种配置进行了全面的参数研究，第3.3小节则展示了优化结果。

**结论**
总之，当将可再生能源与电解技术结合来生产氢气，再将其用于PEMFC时，有望实现可持续的能源生产。将太阳能、生物质能、风能和地热能等多种可再生能源系统与氢气生产及后续通过PEMFC的利用相结合，是一种提升能源适应性、应对可再生能源生产过程中存在的波动性问题的有效策略。

**作者贡献声明**
Mohammad Zoghi：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、可视化、验证、软件、资源、项目管理、方法论、研究、形式分析、数据整理、概念设计。Saleh Gharaie：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、监督。Nasser Hosseinzadeh：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、监督。Ali Zare：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、监督。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

Mohammad Zoghi|Saleh Gharaie|Nasser Hosseinzadeh|Ali Zare
澳大利亚维多利亚州吉朗市迪肯大学工程学院，邮编3216