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user: 2. 基于燃料电池的储能电池系统能量管理 储能电池系统的科学管理可有效提高电池系统的能量转换效率，尤其是针对具有典型特点的储能电池系统例如高温储能电池系统。而对于燃料电池储能电池系统来说，由于其在较为宽泛的温度范围都有不同种类的燃料电池系统，因而能量管理技术和方法也不尽相同 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 。从可逆燃料电池的运行温度来说，可以粗略地将电池系统分为如下两大类别，即低温储能电池系统和高温储能电池系统 [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] ，如图1所示。例如，目前已经大规模商业化应用的质子交换膜电池系统和碱性电池系统基本都是属于低温操作的范畴，最高温度一般不超过100℃，这类储能电池系统可满足大规模的商业化储能，也可以应用于应急电源和军事方面，包括当前最先进的AIP静音潜艇等则是依赖于质子交换膜电池系统。而紧随其后的则是磷酸盐电池系统，其操作温度范围一般都在近200℃，已经成熟应用于航天科技和太空科技作为备用电源。随着操作温度的升高，储能电池系统的能量转换效率逐步升高，主要是由于高温操作可以大幅提高电极动力学从而提高系统的能量转换效率。 图1. 不同类型的可逆燃料电池工作温度区间及燃料要求 [ 12 ] 2.1. 低温储能电池系统的能量管理技术 储能电池系统的能量管理系统是一个复杂而庞大的系统，主要包括电池管理系统、热能管理系统以及其他辅助系统例如气路管理系统等。电池管理系统是连接储能电池系统和用户/负载的重要纽带，其主要功能包括：电池物理参数实时监测、电池状态估计、在线诊断与预警、充/放电与预充控制、均衡管理和热管理等。目前电池管理系统在电动汽车等方面已经广泛使用，通过电池管理系统可以有效控制电池系统的动力输出等，同时也可以检测诸多关键参数。 如上所述，储能电池系统本质上是通过电化学反应实现能量转换，电池管理系统仅从技术角度实现能量有效利用而并未增加电池系统的能量转换效率。而燃料电池是一种对氢能进行利用的能量转换装置，它可以连续地将燃料和氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能，同时释放热量。而热能的有效存储与利用则是直接提高储能电池系统能量转换效率的有效方法。 通常来说，对于不同温度区间的储能电池系统，则需要不同的能量管理方法。例如，当前已经商业化的质子交换膜储能电池系统(proton exchange membrane fuel cell，简称PEMFC)，是一种典型的低温储能电池系统，其工作温度仅为60℃~85℃，这与环境的温差并不大。即便如此，该储能电池系统所产生的能量，有近50%左右可以是通过热量的形式排放到环境当中，因而热管理是目前研究的重点之一，有效管理电池运行时产生的水和热，对提高电池系统的性能起着至关重要的作用。因此，对质子交换膜电池系统的水和热管理则成了能量管理的核心，也是保证电池高性能和效率的关键。对于工作温度在200℃及以下的储能电池系统而言，热能管理的核心是维持储能电池高效运行，同时通过热能再利用提高系统的能量转换效率。 以质子交换膜电池系统为例，通过有效的热能管理，可以控制系统的工作温度范围。要使电堆能够高效、稳定运行，须将其工作温度控制在70℃~80℃之间的最佳工作温度范围。热能管理的另一重要用途就是控制温度极限。储能电池系统的大部分部件都要求在某个温限以下工作，因此需要控制温度极限。例如，如果储能电堆的某个局部温度高于100℃时，则会将电解质膜内水蒸气直接蒸发并将会出现微孔，使燃料气氢气出现泄漏并将会导致严重的安全事故。质子交换膜电池系统的热管理就是对电池系统内部的热量的生成与传递、温度场分布和冷却方式进行研究，包括如何使电池内部产生的热量排到外部、保证在时间和空间上温度均匀分布，避免过热点的出现，并且为保证电池好的总效率需要冷却循环的泵功率损失最小化，即增加热交换能力的同时使压力损失最小 [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] 。 质子交换膜储能电堆在大功率运行时，设计的能量转换效率在40%左右，小功率运行时可达60%。因此，当电池堆工作时，有40%~60%的废热必须排出，否则，这部分热能的产生和累积会使电堆温度上升。有研究称，当PEMFC电池堆的工作温度偏离其理想温度15℃~20℃时，系统性能下降60%。因此，维持合理的电池堆工作温度是热管理子系统的任务之一。千瓦级电池堆广泛采用冷却水循环排热。如果冷却水和电池堆之间温差较小或者冷却水的流速较慢，都会限制电池堆的循环冷却过程。当系统还要向用户提供所需要的热能时，热能管理又增加了一个任务，就是回收和存储系统内部可利用的热能，以争取最大效率地实现热电联供。该过程通过热能的传递和存储设备来实现。 相对于传统的质子交换膜储能电池系统不超过60%的发电效率，将系统进行热电联供时效率高达80%，而且可以灵活利用多种燃料，一定程度上有助于缓解地球上的能源短缺问题。而且，燃料电池可以方便地连接电网，或者与现有的蓄电池、可再生发电技术相结合，实现混合发电和储能系统。因此，发展分布式发电和热电联供技术，通过控制成本必将占领未来市场相当的份额。美国、日本、加拿大、欧盟等国家都建立了巨额基金项目，支持热电联供方面的研究。已经有越来越多的综合示范项目，各种小规模发电系统也不断问世，部分已经商业化出售。 加拿大Ballard公司开发的250 kW的PEMFC技术领先，如图2所示，目前有4座电站分别在美国、德国、瑞士和日本进行测试运行。美国Plug Power公司早在1998年就展示了一台7 kW家用热电联供装置Plug Power 7000。该装置可以满足280~370 m 2 住宅的需要，效率高达80%，发电成本比购电便宜20%~30%，能节约住宅的燃料费用20%。目前，Plug Power和Vainant GmbH公司合作，为德国、荷兰、奥地利及卢森堡等国安装了13套燃料电池供电站。日本则对PEMFC家用燃料电池市场最为关注，目标是从2005年开始推广家用燃料电池，到2010年普及210万个家庭。日本石油公司已经在横滨等城市开始使用家用PEMFC系统，并自2005年开始以每套4200美元的价格销售。东京天然气公司展示了燃料电池示范住宅，每年可节约照明和热水费用3万至5万日元。东芝、日立、三菱重工等也都自行开发并且销售部分家用PEMFC系统 [ 16 ] [ 17 ] 。 例如，上海交通大学燃料电池研究所针对热电联供技术进行了研究，并系统研究了60千瓦级质子交换膜电池堆同时供给电能和热能的技术及管理方法。如图3所示，60 kW系统热管理设计目的，就是通过分析设计系统热能的回收和存储。通过流体之间的热传递过程，将可以利用的系统热能以热水的形式回收存储，备用户使用。与此同时，协助实现电堆的循环冷却过程，从而控制电堆操作温度。通过热电联供的方式，实现能量转换系统的能量转换效率，利用由于电化学反应等所产生的废热，从而进一步提高能量利用效率。研究表明，在不采用废热存储等方式下，该60千瓦级电堆的能量转换效率最高可达50%左右，而其中的50%能量则通过热能的形式释放至环境中，造成能量的损失与浪费。并且，由于储能电池本身需要冷却系统，在缺少冷却系统后储能电池系统的工作温度会逐步上升从而导致系统局部温度过热如电解质部件温度超过10℃即开始脱水，性能逐步衰竭而且容易导致漏气等安全事故。 图2. (左) Ballard公司额定功率为250 KW的质子交换膜储能电池堆；(右)基于热电联供技术进行热能存储与利用的示范电站 图3. 60千瓦级质子交换膜电池堆及热电联供系统工作原理及控制系统示意图 [ 18 ] 2.2. 高温储能电池系统的能量管理技术的现状 相对于低温储能电池系统的能量管理技术而言，高温电池系统的能量管理则更具有挑战性。例如，高温操作的熔融碳酸盐电池系统和固体氧化物电池系统的工作温度一般可高达700℃以上，其系统的热能损失则更为巨大，而且热能的回收与利用也是当前面临的重要问题。以固体氧化物储能电池系统为例，为了进一步提高固体氧化物电池储能系统的商业化应用范围并提高其能量转化效率，将之与当前的能量转换装置相互结合则成了最经济的选择。以固体氧化物为核心部件，与燃气轮机(即Gas Turbine，简称GT)结合在一起的固体氧化物电池/燃气轮机联合系统 [ 19 ] [ 20 ] ，非常适合当前的经济发展水平和固体氧化物技术特点，如图4所示，被认为是最有前景的固体氧化物电池发电系统之一。固体氧化物电池系统高温运行，其产生的废热可以通过与发电厂燃气轮机联合，为联合循环发电系统的其他部分提供热源。固体氧化物电池/燃气轮机联合系统的排烟气体还含有可以再利用的中低温余热，可以联合热力系统与有机朗肯循环，提高能源的利用效率。 美国西屋科技中心和北方研究工程公司最早研制出联合循环装置。他们在1995年开发出功率为220千瓦的第一代联合循环装置，美国国家能源技术试验室试图开发第二代联合循环装置。他们的研究对象是20兆瓦以下的联合循环装置，其研究结果显示，在20兆瓦的联合循环装置系统中其能量效率最高可达70%。P．Costamagna等研究了300千瓦级的可信网络监控的固体氧化物电池混合发电系统分别在设计工况和变工况下的性能。在此系统中微型燃气轮机功率约为50千瓦，固体氧化物电池系统发电功率为250千瓦。设计工况下总的发电效率为60%，而变工况条件下的发电效率则为50%左右。P. Costamagna等在其文章中指出，可以通过燃气轮机的转速来控制电池和燃气轮机部分的功率比值，从而使电池和燃气轮机合理匹配以达到更高的发电效率。但其没有研究该混合系统在设计工况下的合理匹配的最佳设计点，即：混合发电系统的效率最高的工作条件。 固体氧化物电池储能系统除了与燃气轮机等相互组合使用以外，作为分散式储能电站广泛用于家庭用电、社区供电等，如图5所示。家庭用电、社区用电由于季节变化和昼夜变化等因素导致的电能需求不平衡，因此影响了电网稳定性，固体氧化物电池储能电站对此问题提供了解决的可能。固体氧化物电池储能系统根据当地具体燃料使用情况选择天然气或者煤气作为燃料发电，给家庭电器供电，剩余电量可用储蓄电池存储或者连接智能电网传送，高热量的尾气通过换热器为城市或家庭室内供暖或用于加热生活用水。 图4. 基于固体氧化物燃料电池系统的有机朗肯循环发电系统示意图 图5. 商业化的固体氧化物电池储能系统分散式储能电站 Bloom Energy公司已经生产出商业化发电系统供社区和居民家庭供电。Bloom energy公司开发了“冰箱式的家用发电站，命名Bloom Box，如图6所示，它可在十年内为美国家庭提供低成本、环保无污染的电力” [ 21 ] 。Bloom Box的核心部件就是固体氧化物电池，如图7所示。该燃料电池采用陶瓷材料制成，其工作温度为800℃，效率可达到50%以上。与原来的燃料电池材料不同，Bloom energy公司没有采用昂贵金属，而是采用了氧化锆，该材料可用成本极低的普通砂子制造而成，因此其成本更低。它能够利用各种烃类燃料发电，但整个发电过程这些原料不会燃烧，如果采用非化石燃料能源，它几乎能够做到零排放。 虽然固体氧化物电池系统经过热电联供技术可与涡轮机共同使用，有效利用高温废热，可以使得系统能量效率大于70%，而对于一个可逆固体氧化物电池储能系统来说，电能在该可逆系统内部的循环效率则是评价电能可逆存储的关键技术指标之一 [ 22 ] 。当前，达到商业化大规模批量化生产要求的电能循环效率的技术指标是国际公认的80%。而通过热电联供等技术联用仅能在燃料电池模式下提高能量转换效率至70%，而当储能电池系统处于电解池模式下进行充电时，热电联供技术所能提高的能量转换效率幅度则微乎其微。通过系统的热能管理，充分利用系统的热能，可以在一定程度上调节系统操作温度，因此系统的热能管理对于提高系统电能循环效率极为重要。热能管理可以有效提高循环效率，但同时可逆高温热能存储与释放本身就是一个复杂的技术，它涉及了加热和冷却过程中的电能存储、产生与利用，也是一项非常复杂的系统工程。