一种结合了金属氢化物储氢技术和质子交换膜燃料电池（PEMFC）的分布式能源供应系统的运营策略与配置优化

《Renewable Energy》：Operational strategy and configuration optimization of a distributed energy supply system coupled with metal hydride hydrogen storage and PEMFC

针对太阳能波动与用户需求对氢能分布式能源系统稳定性的影响，本研究以山东某地区为例构建PEMFC-MH系统并配备电热储设备，通过六种配置方案分析得出：方案5和6在电热协同方面表现最优，能源效率分别达87.4%和83.3%，投资回收期最短且热效率优化效果显著。研究提出电池容量450-780Ah的优化范围，为可再生能源系统可靠性提升提供策略。

　　在当今能源转型的背景下，太阳能等可再生能源的波动性与用户需求的不确定性，给分布式能源供应系统带来了严峻的挑战。尤其是氢基系统，其在应对能源供需变化、提高能源利用效率方面展现出巨大潜力，但同时也面临着如何有效协调电能与热能管理、提升系统整体性能等关键问题。本文以中国山东省某地区为例，构建了一种基于质子交换膜燃料电池（PEMFC）和金属氢化物（MH）氢储能的分布式能源系统，并配备了电能和热能储存设备。研究重点在于分析六种不同配置方案下的核心指标，如能源效率和投资回收期，旨在探索如何优化系统配置，以实现更高的能源利用效率和更经济的运行模式。

氢作为一种重要的能量载体，具有大规模储存和转换的潜力，能够有效整合可再生能源进入分布式能源系统。太阳能发电具有间歇性和波动性的特点，这使得电力供应难以稳定匹配用户的用电需求。而通过电解水制氢，可以将太阳能转化为氢气，作为稳定的能源储备，从而缓解电力供应的不稳定性。同时，氢气还可以用于热能转换，例如通过燃料电池产生电能和热能，从而实现能源的多用途利用。这种整合方式不仅提高了能源系统的灵活性，也为实现碳中和目标提供了重要支持。

在实际应用中，光伏-氢能耦合系统的效率和经济性是决定其推广和应用的关键因素。近年来，研究人员在提升光伏驱动电解制氢的效率方面取得了显著进展。例如，通过优化电解反应条件、改进电极材料和提高系统集成度，光伏-氢能系统的能源利用效率得到了有效提升。此外，研究还表明，通过增加可再生能源的比例，不仅可以降低温室气体排放，还能有效减少能源成本，从而实现区域零碳能源供应的目标。然而，尽管氢基分布式能源系统展现出诸多优势，其在实际运行中仍面临一些技术难题，尤其是在系统协调和综合氢管理方面。

金属氢化物（MH）氢储能技术因其高能量密度、良好的安全性和较强的集成能力，逐渐成为氢储能领域的研究热点。MH储氢系统能够在较低压力下实现较高的氢气储存密度，这使其在分布式能源系统中具有较高的应用价值。然而，MH储氢过程中涉及的吸附-脱附反应，既包括放热过程，也包括吸热过程，因此需要外部的热管理来维持系统的最佳运行温度。这一特点使得热能的利用成为系统优化的重要环节。例如，研究发现，PEMFC系统产生的废热可以被有效用于MH储氢的脱附过程，从而提升系统的整体效率。但目前的系统设计中，由于热源与热需求之间的温度差异较小，导致废热回收效率不高，影响了系统的整体性能。

为了提升PEMFC-MH系统的废热利用效率，研究人员提出了多种策略，如热循环、热电模块和热再生电化学循环等。这些策略旨在通过更高效的热能管理，提高废热的回收率和利用效率。然而，受限于热源与热需求之间的温度差，目前这些方法的回收效率仍然较低。因此，引入储能技术成为提升系统灵活性和稳定性的关键手段。通过配置电能、热能和氢能的储能系统，可以实现对不同形式能源的高效储存和调度，从而更好地适应用户需求的变化。

当前的氢基分布式能源系统在调整电热输出比例方面仍存在一定困难，这限制了其在应对实时能源需求波动时的适应能力。因此，优化电能和热能的储存策略，成为提升系统运行效率的重要途径。研究表明，热能储存设备在冬季和夏季分别可以提升系统效率6.4%和8.7%，这表明热能储存对于提升系统整体性能具有重要作用。特别是在MH氢储能系统中，热能储存设备的引入能够实现对氢气储存和释放过程的精确控制，从而进一步提高系统的灵活性和稳定性。

本文提出了一种新的系统配置方案，即结合PEMFC和MH氢储能的分布式能源系统，并配备了电能和热能储存设备。该系统通过合理配置各组件的容量，以适应典型日和季节性用户负荷波动，从而提升系统的整体性能。研究中采用了六种不同的配置方案，并对每种方案下的关键性能指标进行了详细分析。结果显示，其中某些方案在协调电热管理方面存在不足，而另一些方案则能够有效平衡电热需求，展现出更高的电热协同效应。在能源效率方面，某些方案表现出显著优势，能够充分利用废热资源，从而提升系统的整体运行效率。

从经济角度来看，部分配置方案显示出较短的投资回收期，表明这些方案在经济性方面更具吸引力。其中，方案5被认为是最优选项，不仅在能源效率上表现突出，而且在经济性方面也具有明显优势。这一结论为未来的研究提供了重要参考，同时也为实际工程应用提供了指导意义。此外，研究还发现，在冬季优化电池和氢气储存容量的配置，能够显著提升系统的热能利用效率。电池容量在450 Ah至780 Ah之间时，系统能够保持较高的运行性能和较为理想的经济性。这一发现为储能设备的容量配置提供了具体建议，有助于提升系统的整体运行效果。

本文的研究不仅揭示了氢基分布式能源系统在提升能源利用效率和系统灵活性方面的潜力，还指出了当前系统在协调电热管理和热能利用方面的不足。通过引入电能和热能储存设备，系统能够更好地应对能源供需的波动，提高能源的利用率和系统的稳定性。同时，研究还强调了优化储能容量配置的重要性，特别是在冬季等特殊季节，合理的容量配置能够显著提升系统的热能利用效率，从而改善整体运行性能。

综上所述，本文通过构建PEMFC-MH氢储能系统，并结合电能和热能储存设备，对不同配置方案进行了深入分析。研究结果表明，合理的系统配置能够有效提升能源效率和经济性，同时优化热能利用和电热协同能力，为氢基分布式能源系统的开发和应用提供了新的思路和方法。未来的研究可以进一步探索如何在不同气候条件下优化储能设备的容量配置，以及如何通过智能化手段提升系统的运行效率和适应能力。此外，随着氢储能技术的不断进步，其在分布式能源系统中的应用前景将更加广阔，有望成为实现可持续能源供应的重要组成部分。