一种新型PEMFC驱动的三联产系统（用于发电、供热和海水淡化）的综合先进能量利用效率与生命周期评估

《Desalination》：Integrated advanced exergy and life cycle assessment of a novel PEMFC-driven tri-generation system for power, heating, and desalination

低温质子交换膜燃料电池（LT-PEMFC）具有显著优势，本研究提出集成甲醇重整、LT-PEMFC、闪蒸喷雾淡水化（SFD）和热泵的三联产系统，通过热泵与SFD耦合实现深热能梯级利用。综合4E（能量、火用、经济和环境火用）评估框架显示，系统在353.15 K运行时，能量和火用效率分别达81.33%和71.77%，其中LT-PEMFC为优化重点，使用阶段环境影响最大。

　　

蔡本楠|高瑞航|孙玉彤|车顺健|田建明|王海军|蔡伟华

中国吉林省东北电力大学能源与动力工程学院热流体科学与核工程实验室，132012

摘要

低温质子交换膜燃料电池相比传统能源转换器具有明显优势。为了解决氢能系统中低品位废热回收的问题，本研究提出了一种新型的三联产系统，该系统结合了甲醇重整、低温质子交换膜燃料电池（LT-PEMFC）、喷雾闪蒸海水淡化技术和热泵，以实现电力、热能和淡水的联合生产。其主要创新点在于将喷雾闪蒸海水淡化装置（SFD）与热泵协同耦合，以实现热能的深度梯级利用。本研究采用了一种综合的4E（能量、?、经济性和环境影响）评估框架，并结合先进的?分析和生命周期评估方法，来确定优化重点并量化环境足迹。结果表明，在LT-PEMFC的工作温度为353.15 K时，该系统的能量效率和?效率分别达到了81.33%和71.77%。先进的?分析显示，LT-PEMFC具有最高的可避免?损失比例，因此是热力学改进的主要目标。生命周期评估（LCA）结果显示，使用阶段是环境影响最大的环节。这些发现表明，所提出的系统为偏远地区或水资源紧张地区的分散式能源供应提供了一种高效且可持续的解决方案，同时为下一代绿色能源系统的部署提供了全面的评估框架和有力的数据支持。

关键词

热电联产和水系统

废热回收

先进?分析

生命周期评估

系统描述

所提出的三联产系统如图1所示，包括四个主要子系统：甲醇蒸汽重整（MSR）单元、低温质子交换膜燃料电池（LT-PEMFC）单元、喷雾闪蒸海水淡化（SFD）单元和热泵（HP）。工作流程从MSR过程开始，其中甲醇和水混合物被蒸发后，在催化剂作用下生成富含氢气的合成气。随后，该合成气经过净化处理

热力学分析

目前，能量分析和?分析被广泛用于大多数新型系统的评估。这两种方法都是基于能量平衡方程和热力学第二定律建立的。具体公式如下：

${\mathrm{Ex}}_{\mathrm{phy}}+{\mathrm{Ex}}_{\mathrm{che}}=m?\left(\left(h?h_0\right)?T_0\left(s?s_0\right)\right)+\sum _{i=1}^n{b}_{\mathrm{ch},i}?x_i$

在公式中，m表示质量流量；h₀和s₀分别表示标准条件下的物质焓和熵；$b_{\mathrm{ch},i}$表示标准化学?

结果与讨论

这验证了所涉及子系统的有效性，结果如图2所示。所有子系统的模拟误差均控制在±5%以内，符合研究要求。在此基础上，采用多维评估框架对所提出系统的性能进行了全面分析，主要包括以下两个方面：

•

基本性能分析（能量、?、经济性和环境影响指标）： 关键性能参数已得到评估

结论

本研究提出了一种利用低温质子交换膜燃料电池（LT-PEMFC）技术的热电联产和水（CHPW）生产创新系统。为提高整体能源利用效率，系统中集成了高温热泵以回收燃料电池产生的废热。此外，还专门设计了循环水冷却子系统来管理LT-PEMFC的热量，回收的热量被用于驱动其他设备

CRediT作者贡献声明

蔡本楠：概念构思、资金获取、资源协调、初稿撰写。高瑞航：方法论设计、软件开发、验证、审稿与编辑。孙玉彤：数据整理、软件应用。车顺健：数据管理、软件协助。王海军：项目统筹、监督。蔡伟华：资源协调、监督。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了吉林省科技发展项目（项目编号：20230101342JC）和国家自然科学基金（项目编号：52206194）的支持。