质子交换膜燃料电池堆的电效率约为50%，电化学反应剩余的能量要以热量的形式散失，造成巨大能量浪费，开发基于燃料电池的热电联产系统可以高效地产生电力和热水，并显著提高系统的能量效率。在MATLAB/Simulink平台上搭建了70kW级燃料电池热电联产系统，包括燃料电池电模型、热管理模型和热电联产系统综合动态模型，并开发了一种智能控制算法进行水热管理，将电堆运行温度控制在70℃左右，在保证电堆正常运行的前提下，提升热能回收效率并降低系统寄生功率。结果表明该系统可以有效地回收燃料电池反应所产生的废热，在增大外部负载提高电堆电效率的同时，热电联产效率会逐渐增高然后降低，热电联产最高效率可以达到83.5%。

图1展示了在MATLAB/Simulink仿真软件中，根据质子交换膜PEMFC的电化学特性和产热散热原理搭建了一套基于PEMFC的高效热电联产系统。

PEMFC电堆温度会随着外部负载的变化而变化，为保证电堆始终运行在最佳温度范围内，冷却系统和热回收系统会在很短的时间内响应，将电堆温度冷却下来并将多余废热进行回收。在建立的PEMFC-CHP系统仿真模型上模拟外部负载功率每100s以阶跃形式变化一次，电堆功率、冷却液回路水泵P1和二次流体回路水泵P2流量随时间变化如图2（a）所示，随着电堆功率阶跃式增大或减小，水泵P1和P2通过PID控制器控制，根据温度的变化，进行相应的加速或减速，来控制冷却液回路和二次流体回路的流量。电堆温度和冷却液入口温度随时间变化如图2（b）所示，在外部负载变化的情况下，温度会逐渐发生改变，通过控制两个回路流体的流量，可以将电堆温度和冷却液入口温度在50s内分别稳定在70℃和60℃左右，温度变化范围在±3℃以内，在保证电堆正常运行的同时，进行了废热回收。

表1显示出PEMFC-CHP系统的热回收效率、系统电效率和热电联产总效率随电堆功率的变化。由表可知，随着电堆功率的逐渐增大，热电联产效率也不断增大，在达到最高值之后开始缓慢降低；而热回收效率则随着电堆功率的增加而不断增大；系统电效率由于寄生功率的存在，在平稳增加之后开始衰减。在电堆功率约为60kW时，热电联产效率最高，约为83.5%，其中系统电效率为34%，热回收系统49.5%。

⬇ 表1 PEMFC-CHP系统不同工况下的效率