-
近年来，世界各国的能源利用呈现低碳化、清洁化、高效化的发展趋势。分布式能源应用直接针对终端用户，相比传统的能源集中式生产、运输、终端消费的模式，可最大程度减少能源的输送损耗，有效利用发电产生的余热，提供不同的能源品类并且提高能源的综合利用效率[1]，将成为未来重要的能源利用模式。
目前国外分布式能源已实现技术上的突破并逐渐拓展应用，其中日本、美国、欧盟的技术和应用处于领先水平，图1表明分布式能源在其国内的应用占比超过10%[2]。
Figure 1. Proportion of distributed energy generation by country
日本占有最大的微型燃料电池市场，由Ene-Farm/项目支持的PEMFC（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，质子交换膜燃料电池）/SOFC（Solid Oxide Fuel Cell，固体氧化物燃料电池）系统平均价格低于100万日元，目前有32万日本用户购买；美国Bloom Energy公司在全球部署运行了近500 MW的发电系统，在过去十年中发电量超过16 TWh，包括苹果谷歌eBay等数据中心，沃尔玛、宜家、美国国防部等商场及办公楼，以及移动基站和集散中心等；Fuel Cell Energy公司安装超过300 MW的分布式电站设备，包括百千瓦级的SOFC和兆瓦级的MCFC（Molten Carbonate Fuel Cell，熔融碳酸盐燃料电池）分布式热电联供；韩国浦项制铁入股Fuel Cell Energy后，共建立18个燃料电池电站，累计发电170 MW，斗山集团生产包括600 W、1 kW、5 kW、10 kW的PEMFC以及400 kW的PAFC（Phosphoric Acid FuelCell，磷酸燃料电池），全球累计销售上百套产品，累计发电量2 TWh。球累计销售上百套产品，累计发电量2 TWh。表1[1]列出了国外部分应用产品的发电效率。
国家 企业-技术 规模 发电效率/% 日本 松下-PEMFC 700 W 39 爱信精机-SOFC 700 W 46.5 松下-PEMFC 5 kW 57 三浦-SOFC 4.2 kW 50 IHI公司-MCFC 1 MW 46.7 美国 Bloom Energy-SOFC 200 kW～1 MW 53～65 韩国 LG-SOFC 200 kW 60 Fuel Cell Energy-MCFC 2.4 MW 47 Table 1. Power generation efficiency of some foreign application products
国外在燃料电池分布式发电领域已有较多的示范应用。廖文俊等[3]总结了已有的MW级燃料电池电站案例；宋鹏飞等[4]给出了日本ENE-FARM系统运行参数，孙兴进等[5]详细分析了国外MCFC技术厂商并给出了IHI 1 MW MCFC实验电厂数据，曹静等[6]分析了国外SOFC的分布式发电技术应用现状。总体来看，无论是中小型燃料电池热电联产系统，还是大型燃料电池电站，国外已有相对成熟的技术，并且逐渐具备市场竞争力和规模化的市场推广条件。
我国分布式能源产业发展尚处于初期，已经开展了多个示范性项目建设。据统计，截至2018年底，我国分布式电源装机量6机10 GW，占总电源装机量的3%，以分布式天然气、光伏、风电为主[7]。随着国家政策推进和技术发展，分布式能源产业将有更广阔的发展空间。
分布式发电装置主要有微型燃气轮机、内燃机、燃料电池等。其中，燃料电池具有高效、环保、噪声低等优点，尤其适用于靠近用户的千瓦级至兆瓦级的分布式发电系统，典型的应用场景包括家庭、学校、医院、办公楼等。近年来随着燃料电池技术的日趋成熟和成本的下降，随着全球范围内对于碳排放控制的重视，燃料电池分布式发电已经成为全球分布式能源发展的热点之一[4]。
近年来，国内的燃料电池技术快速发展，氢燃料电池系统的国产化程度已达到60%，关键材料如膜电极、氢气循环泵、空气压缩机等可实现小规模自主化生产[8]，但在系统集成、示范应用等方面仍缺少经验，整体产业还处于研发和小规模示范运行阶段。
文章以MCFC与SOFC为对象，建立燃料电池发电系统的仿真模型，在此基础上开展系统的仿真模拟，并与实际运行系统参数相对比，验证仿真结果，从而为后续的工程应用分析建立基础。
-
燃料电池是一种直接将燃料中的化学能转化为电能的发电装置，通常指氢气、甲烷等气体燃料，其能量转换通过电极上的电化学过程进行[9]，因此燃料电池的发电效率不像传统的热机那样受到卡诺循环效率的限制，与传统热机相比能量利用效率可提高10%～20%，高温燃料电池分布式发电的综合利用效率甚至可到达85%～95%，且其污染物排放水平也明显低于传统的火力发电。
高温燃料电池主要包括SOFC与MCFC两种模式，其工作原理如式（1）～（4）所示。
$$ {\rm{SOFC}} 阳极： {{\rm{H}}}_{2}+{{\rm{O}}}^{2-}\to {{\rm{H}}}_{2}{\rm{O}}+2{{\rm{e}}}^- $$ (1) $$ 阴极： \dfrac{1}{2}{{\rm{O}}}_{2}+2{{\rm{e}}}^-\to {{\rm{O}}}^{2-} $$ (2) $$ {\rm{MCFC}} 阳极： {{\rm{H}}}_{2}+{{\rm{CO}}}_{3}^{2-}\to {{\rm{CO}}}_{2}+{{\rm{H}}}_{2}{\rm{O}}+2{{\rm{e}}}^- $$ (3) $$ 阴极： \dfrac{1}{2}{{\rm{O}}}_{2}+{{\rm{CO}}}_{2}+2{{\rm{e}}}^-\to {{\rm{CO}}}_{3}^{2-} $$ (4) 高温燃料电池的工作温度较高，决定了其燃料适应性较广泛，可利用天然气、沼气、煤制合成气等（见表2）。除了外部重整制氢，在高温下电池内部也会发生重整反应，且不需要贵金属催化剂。同时燃料电池的能量转化效率高，排气温度高，具有更大的余热利用价值。但高温工作环境对燃料电池材料提出了更高要求，随着反应温度提高，其成本也随之上升。
项目 SOFC固体氧化物
燃料电池MCFC熔融碳酸盐
燃料电池燃料 天然气、煤制气、沼气等 电解质 YSZ 碳酸钾/锂 电解质形态 固态 熔融态 阳极 Ni-YSZ Ni/AL、Ni/Cr 阴极 LSCF Li/Ni 反应温度/℃ 800～1000 650～700 发电规模/W 1～106 1～106 发电效率/% 50～60 45～60 比功率/[W·(kg)−1] 15～20 30～40 优点 燃料适用性广，余热价值高 缺点 启动时间长，需要耐高温材料 电解质具有腐蚀性，寿命短 注：YSZ——氧化钇稳定氧化锆；LSCF——镧锶酸锰。 Table 2. Comparison of technical characteristics between SOFC and MCFC [10]
-
表3为国内某25 kW规模SOFC发电系统的主要运行参数，整套设备包括电堆系统、换热系统、燃料除硫系统、软化水系统及控制系统。其中最关键的燃料电池设备由32个电堆串联而成，每个电堆含有25片单电池。设备启动前需要由附加的燃烧器提供热量，使电池达到反应温度（720 ℃左右），实际运行效率在50%～60%之间，排气温度约为120 ℃，整套系统的综合利用率>80%。其中电池的发电效率会受到其他辅机系统效率和环境因素的影响。
项目 参数 额定电功率 25 kW 额定电压电流 660 V，38 A 电池片 平板式，140 mm×140 mm，共800片 电解质材料 氧化钇稳定的氧化锆金属陶瓷YSZ 阳极材料 镍-氧化钇稳定氧化锆金属陶瓷Ni-YSZ 阴极材料 镧锶钴铁的氧化物LSCF 燃料 管道天然气，加水重整 设定功率/kW 11 17 18 23 25 重整甲烷流量/SLM 59.9 64.9 69.9 69.9 72.4 输出功率/kW 11.5 17.1 18.8 23.5 25.3 发电效率/% 32 44 45 48 61 注：SLM——标况下（0 ℃，1 atm ）升每分钟（Standard litre per minute）。 Table 3. Operating parameters of a 25 kW SOFC system
这套设备运行时间较短，发电过程存在的以下问题值得关注：（1）设备自动化程度较低，运行中依赖人工调整进气流速等参数；（2）设备的启停时间长，因系统中的电池片较多，逐层加热到工作温度需要的总时间较长；（3）无法监测设备内部电池片状态，当内部电池片损坏时无法根据其他参数判断。
-
MCFC熔融碳酸盐燃料电池在国内的应用相比SOFC更加小众，但优势比较突出。首先MCFC的制造工艺相对简单，核心技术已有较大突破，可实现自主生产且运行效果良好，同时与微型燃气轮机组成底层循环发电系统可实现CO2捕集，且电池发电规模易于放大，适于工程应用，可作为固定电站或分布式电站的重要选择。目前国内以华能清洁研究院的研究成果为领先技术[11]。
表4为中国华能集团清洁能源技术研究院研发的MCFC设备参数，目前从电极、双极板、隔膜材料到集成技术均已实现自主化生产，其中隔膜生产技术经过十几年的迭代更新，日趋成熟，能够保证隔膜的厚度与性能稳定；MCFC电堆的寿命约为2×104 h，中间不可停运；为使电解质呈熔融态，电池工作温度不得低于600 ℃，通常为650 ℃。
5 kW MCFC 10 kW MCFC 电堆组成 100节单电池串联，
有效面积1000 cm2200节单电池串联，
有效面积1000 cm2电堆性能参数 电压70 V，电流85 A 电压70 V，电流160 A 燃料利用率77% 燃料利用率70% 电流密度85 mA/cm2 电流密度80 mA/cm2 输出功率 5.88 kW 11.2 kW Table 4. Operating parameters of 5 kW and 10 kW MCFC systems of China Huaneng Group Clean Energy Research Institute
-
目前在高温燃料电池领域我国已有自主生产的设备产品，但只是少量的示范性应用，还缺少广泛的实际应用基础，无法为规模化、高效益的工程设计提供更多的数据，尤其是当前的示范应用系统发电功率较小，与兆瓦级分布式发电应用的要求还有较大差距，亟需开展兆瓦级分布式燃料电池系统的应用研究探索。文章分别建立1 MW级SOFC和MCFC发电系统模型，并以此为基础开展系统的仿真分析，为我国今后分布式高温燃料电池系统的工程应用提供数据支撑和理论分析基础。
-
文章基于化工流程模拟软件AspenPlus建立SOFC发电系统模型，如图2所示，系统主要包括燃料与空气供应系统、重整制氢系统、燃料电池发电系统、后燃室及余热利用系统。燃料经过加压进入重整器，通过绝热重整生成H2、CO等合成气，随后该合成气进入阳极发生电化学反应进行发电，发电后一部分阳极尾气回流，为重整反应提供水蒸气，剩余阳极尾气进入后燃室燃烧；空气经过加压和预热进入阴极，阴极分离一部分氧气用于模拟氧离子的迁移，剩下的空气与阳极尾气进一步燃烧，最后利用燃烧后的高温烟气加热进气流股，同时加热居民用水。各个模块选型与工作原理如表5所示。
Figure 2. SOFC power generation system process model
设备模块 AspenPlus模型 功能 COMP1 Compr 增加入口燃料压力以运行喷射器
（如来气压力高可不设置）COMP2 将氧化剂也即空气压力增加
到高于大气压，克服系统阻力EJECTOR Mixer 在喷射器中将来自阳极的
返回气体与入口燃料混合SPLIT FSplit 根据蒸汽碳比（STCR）分配从阳极
到喷射器和燃烧室的出口流量REF RGibbs 模拟甲烷重整过程 ANODE 模拟电化学反应 CARHODE Sep 模拟阳极电化学反应氧离子传递的过程 BURNER RStoic 模拟阴阳极尾气燃烧过程 HEATER Heater 将阴极出气温度提高到电池工作温度 HX1/2/3 HeatX 预热燃料、空气，利用尾气余热供热水 Table 5. SOFC model equipment type selection
-
电化学模型用于计算燃料电池的输出电压及功率，决定了模型的准确性。常用的计算模型有直接计算法与间接计算法。其中间接计算法依赖经验数据，计算简单但精确度低，故文章采用直接计算法，该模型已有较多应用案例。文章采用W.Doherty的电化学模型[12]，在理想能斯特电压基础上，考虑因电化学反应进程的延缓产生的活化损失，因电极、电解质的电阻产生的欧姆损失，在多孔电极中因介质传输受限产生的浓差极化损失，最后得到电池实际输出电压。
-
模型假设重整过程与后燃室无散热损失，燃料电池系统中的主要能量转换包括压缩机耗功、电池发电、换热器加热工质等，综合考虑反应焓变、发电量、热交换量，各模块的能量平衡如式（5）～（10）所示[13]。
压缩机功耗：
$$ {W}_{\rm{COMP}}=n_{\rm{heater}}\cdot ({h}_{2}-{h}_{1}) $$ (5) 换热器热量平衡：
$$ {Q}_{\rm{heater}}=n\cdot ({h}_{2}-{h}_{1}) $$ (6) $$ {Q}_{\rm{water}}={n}_{\rm{water}}\cdot {C}_{\rm{P}}\cdot ({T}_{2}-{T}_{1}) $$ (7) 燃料电池能量平衡：
$$ \rm{H}_{2}+{\frac{1}{2}\rm{O}_{2}}\to \rm{H}_{2}O+\rm{Power}+\rm{Heat} $$ (8) 系统能量平衡：
$$ \sum {n}_{\rm{in}}{h}_{\rm{in}}=\sum {n}_{\rm{out}}{h}_{\rm{out}}+{W}_{\rm{net}}+Q $$ (9) $$ \sum {m}_{\rm{in}}=\sum {m}_{\rm{out}} $$ (10) 式中：
n ——流股的摩尔流量（mol/s）；
h ——物料流股的焓值（kJ/mol），h1、h2分别代表相应模块进出口流股的焓值；
Q ——换热功率（kW）；
water ——换热介质水；
heater ——换热器模块；
Cp ——工质的摩尔定压热容（kJ/mol·K）；
T ——工质的温度（K），T1、T2分别代表进出口流股的温度；
Power ——燃料电池发电量（kW）；
Heat ——燃料电池放热量（kW）；
in, out ——进入、流出系统；
Wnet ——系统净发电量（kW）；
m ——流股的质量流量（kg/s）。
-
发电效率：
$$ {\eta }_{{\rm{e}}}=\frac{{W}_{\rm{DC}}}{{\rm{fuel}}\cdot \rm{LHV}} $$ (11) 式中：
WDC ——系统直流发电量（kW）；
fuel ——燃料流量（mol/s）；
LHV ——燃料的低位发热量（kJ/mol）。
热利用效率：
$$ {\eta }_{{\rm{Q}}}=\frac{Q}{{\rm{fuel}}\cdot {\rm LHV}} $$ (12) -
使用AspenPlus模拟SOFC发电过程，使用天然气为燃料，进入系统的空气为79%的N2和21%的O2，表6给出了SOFC系统的具体工艺参数。
参数 设置 燃料组分 CH4 96.12%，C2H6 0.501%，
C3H8 0.118%，C4H10 0.033%，
C5H12 0.012%，CO2 2.6%，N2 0.147%SOFC运行温度 910 ℃ SOFC运行压力 1.08 atm 输出功率 1 MW 面积 140 mm×140 mm 进气燃料温度/压力 15 ℃/1 atm 进入空气温度/压力 15 ℃/1 atm 燃料利用率 0.85 汽碳比 2.5 压缩机压力比 3 DC/ AC转换效率 92% Table 6. SOFC modeling conditions
以前述电化学模型为基础，参考某25 kW规模SOFC项目系统参数（包括电池板尺寸、电流密度、进料流量等），构建了1 MW的分布式燃料电池模拟系统，并对该发电系统进行了仿真模拟。仿真计算主要结果如表7所示，在能斯特电压VN基础上，减去欧姆损失Vohm、活化损失Vact、浓差极化损失Vcon，得到电池输出电压VSOFC；采用华电电科院电池的电流密度参数，计算得到总电流量和输出功率，系统的发电效率和热利用效率分别为55.4%和30.15%。
电池参数 数值 电池参数 数值 VN/V 0.912 I/A 1728149.2 Vohm/V 0.168 J/(A·m−2) 1938.77 Vact/V 0.112 WSOFC/kW 1015 Vcon/V 0.043 ηe/% 55.4 VSOFC/V 0.588 ηQ/% 30.15 Table 7. SOFC model calculation results
表3表明实际运行中发电效率50%～60%之间，综合效率超过80%；根据表7仿真计算获得的结果，运行效率符合实际运行情况。图3进一步给出了该燃料电池的性能，随着电流密度J增加，输出电压VSOFC逐渐下降，该规律与此前相关研究结果相一致[14-15]。
Figure 3. SOFC model performance
-
基于AspenPlus软件建立如图4所示1 MW MCFC系统流程。与SOFC系统不同之处在于，此时阳极设置燃烧烟气回流，在阴极与氧气一同进入阳极发生电化学反应，该过程模拟实际运行中CO32−的迁移。关键模块选型与SOFC相似。
Figure 4. MCFC power generation system process model
-
MCFC的电化学模型相比SOFC简单，主要考虑三部分电阻的影响（见表8），该模型已有文献使用验证[16]。能量分析模型与系统性能模型与SOFC系统类似，可参考表5。
能斯特电压计算 ${E}_{\rm{N} }={E}_{0}+\dfrac{ {\rm{R} }T}{2{\rm{F} } }\mathrm{l}\mathrm{n}(\frac{ {P}_{\rm{ {H2,a} } }\sqrt{ {P}_{\rm{ {O2,c} } } } }{ {P}_{\rm{ {H2O,a} } } }\cdot \dfrac{ {P}_{\rm{ {CO2,c} } } }{ {P}_{\rm{ {CO_2,a} } } })$ 其中，${E}_{0}=1.272\;3-2.765\;4\times {10}^{-4}T$ 阳极电阻 ${R}_{ {\rm{anode} } }=2.27\times {10}^{-9}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(\dfrac{ {E}_{\rm{{act,an}}} }{ {\rm{R} }T}\right){P}_{\rm{ {H2} } }^{-0.42}{P}_{\rm{ {CO2} } }^{-0.17}{P}_{\rm{ {H2O} } }^{-1}$ 阴极电阻 ${R}_{ {\rm{cathode} } }=7.505\times {10}^{-10}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(\dfrac{ {E}_{{\rm{act,cat}}} }{ {\rm{R} }T}\right){P}_{ {\rm{O2} } }^{-0.43}{P}_{ {\rm{CO2} } }^{-0.09}$ 欧姆电阻 ${R}_{ {\rm{ohm} } }=0.5\times {10}^{-4}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left[3 \;016\right(\dfrac{1}{T}-\dfrac{1}{923}\left)\right]$ 输出电压 ${ {\boldsymbol{V} } }_{\rm{cell} }={E}_{\rm{N} }-j({R}_{{\rm{anode}}}+{R}_{{\rm{cathode}}}+{R}_{{\rm{ohm}}})$ 注：PH2——氢气分压；PO2——氧气分压；PCO2——二氧化碳分压；PH2O——水蒸气分压；a, an, anode——阳极，对应的物理量为阳极的物理量；c, cat, cathode——阴极，对应的物理量为阳极的物理量；R——理想气体常数，取8.314 J/(mol·K)；F——法拉第常数，取96485 C/mol；T——电堆工作温度（K）；E0——可逆电压（V）；Eact——活化能（kJ/mol）。 Table 8. MCFC electrochemical model
-
MCFC模拟系统采用天然气为燃料，参考前述MCFC电堆参数，设置燃料利用率为85%，电流密度为800 mA/cm2。以前述模型为基础，对MCFC系统进行仿真模拟。该MCFC系统仿真计算结果如表9所示，计算能斯特电压VN，欧姆损失Vohm、阳极损失Van、阴极损失Vcat，得到电池输出电压VMCFC，及输出功率WMCFC，发电效率及热利用效率分别为49.7%和26.5%，根据表4中10 kW案例，其单电池电压为0.7 V，系统发电效率约为51%；对比发现仿真结果与实际运行数据相近；同时基于该仿真模型，研究了该电池的性能状态，如图5所示，其性能变化规律与已有研究文献中的趋势相符[17]。
电池参数 数值 电池参数 数值 VN/V 0.82 VMCFC/V 0.68 Van/V 0.02 WMCFC/kW 1094 Vcat/V 0.068 ηe/% 49.7 Vohm/V 0.052 ηQ/% 26.5 Table 9. MCFC model calculation results
Figure 5. MCFC cell performance: (a) literature data; (b) simulated data
-
文章概述了燃料电池分布式发电技术的特点及其国内外应用情况，介绍了高温燃料电池的相对优势和不足，并对SOFC和MCFC的技术特点进行了对比分析。在此基础上，进一步介绍了国内某25 kW的SOFC发电系统，和中国华能集团清洁能源技术研究院5 kW、10 kW MCFC发电系统的主要特征。结合这两个示范应用样例，基于AspenPlus分别建立对应的1 MW级 SOFC发电系统模型和MCFC系统模型，对系统的运行进行仿真分析。仿真结果与实际系统参数吻合较好，且仿真获得的系统性能变化趋势也与已有研究相一致，验证了仿真模型和方法的正确性。该方法为后续开展兆瓦级分布式燃料电池技术的工程应用提供了有益的借鉴。
Modeling and Simulation Analysis of MW-Level Fuel Cell Distributed Generation System Based on AspenPlus
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.04.010
- Received Date: 2021-12-29
- Rev Recd Date: 2022-02-11
- Available Online: 2022-12-25
- Publish Date: 2022-12-23
-
Key words:
- distributed generation /
- fuel cell /
- simulation model /
- solid oxide fuel cell (SOFC) /
- molten carbonate fuel cell (MCFC)
Abstract:
| Citation: | LI Zhuoyan, DUAN Liping, LI Shaohua, FENG Jing. Modeling and Simulation Analysis of MW-Level Fuel Cell Distributed Generation System Based on AspenPlus[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2022, 9(4): 78-86. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.04.010
|
DownLoad:
