张 敬，卢 雁，李 圣，谢光彩，万忠民

（湖南理工学院机械工程学院，湖南 岳阳414006）

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是最新发展起来的一种低温型燃料电池。在正常运行条件下，质子交换膜燃料电池堆的发电效率约为40%～60%[1]。这意味着在燃料电池堆中参与电化学反应的氢气中，约有50%的能量转化成了热能。低温质子交换膜燃料电池的最佳工作温度为60～80 ℃[2]，在运行时必须将电堆中产生的多余热量带出。因为温度过高会导致质子交换膜脱水干裂[3]，影响电堆的使用寿命甚至会发生危险。因此，对电堆内部温度的控制和对电堆工作产生的余热进行回收利用，提高燃料电池的效率是我们追求的目标。赵兴强[4]、牛茁[5]建立了燃料电池电堆的数学模型和热模型，并进行了动态仿真。黄镇江等[6]开发并设计了一种质子交换膜燃料电池热电联供系统余热回收装置。李晓嫣等[7]、张颖颖等[8]建立了质子交换膜燃料电池热电联供系统模型，并进行了动态仿真。本文将基于上述研究，设计一种水冷型质子交换膜燃料电池热电联供系统，通过采用模糊PID控制器对电堆工作温度进行有效控制，实现对电堆余热的回收利用。

1 热电联供系统结构和工作原理

如图1 所示为燃料电池热电联供系统结构框图。该系统主要由两部分组成，换热器左侧为冷却液循环系统，右侧为自来水循环系统。冷却液循环系统主要由电堆、负载、三通分流阀、散热器、水泵、温度传感器等组成；自来水循环系统主要由储热水箱、水泵、电磁阀、液位传感器、混合阀、温度传感器等组成。……