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基于AspenPlus的兆瓦级燃料电池分布式发电系统建模及仿真分析

李卓言 段丽平 李少华 冯静

李卓言, 段丽平, 李少华, 冯静. 基于AspenPlus的兆瓦级燃料电池分布式发电系统建模及仿真分析[J]. 南方能源建设, 2022, 9(4): 78-86. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.04.010
引用本文: 李卓言, 段丽平, 李少华, 冯静. 基于AspenPlus的兆瓦级燃料电池分布式发电系统建模及仿真分析[J]. 南方能源建设, 2022, 9(4): 78-86. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.04.010
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
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

基于AspenPlus的兆瓦级燃料电池分布式发电系统建模及仿真分析

doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.04.010
详细信息
    作者简介:

    李卓言,1996-,女,黑龙江省大庆人,硕士研究生,主要从事燃料电池分布式发电工作(e-mail)15210225767@163.com

    段丽平,1977-,女,河南临颍县人,正高级工程师,主任工程师,硕士,主要从事火力发电厂及能源综合利用相关设计工作(email)duanlp@ncpe.com.cn

    通讯作者:

    段丽平,(email)duanlp@ncpe.com.cn

  • 中图分类号: TM73;TM911.4

Modeling and Simulation Analysis of MW-Level Fuel Cell Distributed Generation System Based on AspenPlus

  • 摘要:     目的   燃料电池分布式发电技术是适应未来能源低碳化、清洁化、高效化发展趋势的重要应用方向。国内燃料电池电站项目较少,缺乏实际项目经验积累。为了推进燃料电池分布式电站技术的应用,文章概述了国内外应用现状,总结了高温燃料电池的优势与不足,调研了国内燃料电池建设应用案例,并建立了固体氧化物燃料电池与熔融碳酸盐燃料电池发电系统流程。    方法   经过文献调研与实地调研,确定了两种适合建设大型电站的燃料电池分布式发电技术,并利用AspenPlus化工模拟软件建立燃料电池系统流程模型、电化学模型和能量分析模型,并开展系统的性能仿真分析。    结果   分析结果与实际运行结果相吻合,分析预测的系统性能趋势与已有研究相一致。    结论   该仿真方法可用于兆瓦级高温燃料电池分布式发电系统的研究,可为扩大燃料电池应用规模提供数据支持。
  • 图  1  各国分布式能源发电占比

    Fig.  1  Proportion of distributed energy generation by country

    图  2  SOFC发电系统流程模型

    Fig.  2  SOFC power generation system process model

    图  3  SOFC模型性能

    Fig.  3  SOFC model performance

    图  4  MCFC电系统流程模型

    Fig.  4  MCFC power generation system process model

    图  5  MCFC电池性能:(a)文献数据;(b)模拟数据

    Fig.  5  MCFC cell performance: (a) literature data; (b) simulated data

    表  1  国外部分应用产品的发电效率

    Tab.  1.   Power generation efficiency of some foreign application products

    国家企业-技术规模发电效率/%
    日本松下-PEMFC700 W39
    爱信精机-SOFC700 W46.5
    松下-PEMFC5 kW57
    三浦-SOFC4.2 kW50
    IHI公司-MCFC1 MW46.7
    美国Bloom Energy-SOFC200 kW~1 MW53~65
    韩国LG-SOFC200 kW60
    Fuel Cell Energy-MCFC2.4 MW47
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    表  2  SOFC与MCFC的技术特点对比[10]

    Tab.  2.   Comparison of technical characteristics between SOFC and MCFC [10]

    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-YSZNi/AL、Ni/Cr
    阴极LSCFLi/Ni
    反应温度/℃800~1000650~700
    发电规模/W1~1061~106
    发电效率/%50~6045~60
    比功率/[W·(kg)−1]15~2030~40
    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。
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    表  3  某25 kW SOFC系统运行参数

    Tab.  3.   Operating parameters of a 25 kW SOFC system

    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/kW1117182325
    重整甲烷流量/SLM59.964.969.969.972.4
    输出功率/kW11.517.118.823.525.3
    发电效率/%3244454861
    注:SLM——标况下(0 ℃,1 atm )升每分钟(Standard litre per minute)。
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    表  4  中国华能集团清洁能源技术研究院5 kW、10 kW MCFC系统运行参数

    Tab.  4.   Operating parameters of 5 kW and 10 kW MCFC systems of China Huaneng Group Clean Energy Research Institute

    5 kW MCFC10 kW MCFC
    电堆组成100节单电池串联,
    有效面积1000 cm2
    200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 kW11.2 kW
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    表  5  SOFC建模设备选型

    Tab.  5.   SOFC model equipment type selection

    设备模块AspenPlus模型功能
    COMP1Compr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
    EJECTORMixer在喷射器中将来自阳极的
    返回气体与入口燃料混合
    SPLITFSplit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
    REFRGibbs模拟甲烷重整过程
    ANODE模拟电化学反应
    CARHODESep模拟阳极电化学反应氧离子传递的过程
    BURNERRStoic模拟阴阳极尾气燃烧过程
    HEATERHeater将阴极出气温度提高到电池工作温度
    HX1/2/3HeatX预热燃料、空气,利用尾气余热供热水
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    表  6  SOFC建模条件

    Tab.  6.   SOFC modeling conditions

    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%
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    表  7  SOFC模型计算结果

    Tab.  7.   SOFC model calculation results

    电池参数数值电池参数数值
    VN/V0.912I/A1728149.2
    Vohm/V0.168J/(A·m−2)1938.77
    Vact/V0.112WSOFC/kW1015
    Vcon/V0.043ηe/%55.4
    VSOFC/V0.588ηQ/%30.15
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    表  8  MCFC电化学模型

    Tab.  8.   MCFC electrochemical model

    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)。
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    表  9  MCFC模型计算结果

    Tab.  9.   MCFC model calculation results

    电池参数数值电池参数数值
    VN/V0.82VMCFC/V0.68
    Van/V0.02WMCFC/kW1094
    Vcat/V0.068ηe/%49.7
    Vohm/V0.052ηQ/%26.5
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    [18] 陈章隆.  基于Hermite插值法的板型燃料不对称冷却计算 . 南方能源建设, 2015, 2(4): 132-137. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2015.04.024
    [19] 辛文成, 沈彦君, 苏成, 殷勤.  含分布式电源的配电网重构 . 南方能源建设, 2015, 2(2): 46-51. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2015.02.008
    [20] 梁赟, 冯永青.  基于可信性理论的有源配电网可靠性分析 . 南方能源建设, 2015, 2(2): 62-65. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2015.02.011
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-29
  • 修回日期:  2022-02-11
  • 网络出版日期:  2022-12-25
  • 刊出日期:  2022-12-23

基于AspenPlus的兆瓦级燃料电池分布式发电系统建模及仿真分析

doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.04.010
    作者简介:

    李卓言,1996-,女,黑龙江省大庆人,硕士研究生,主要从事燃料电池分布式发电工作(e-mail)15210225767@163.com

    段丽平,1977-,女,河南临颍县人,正高级工程师,主任工程师,硕士,主要从事火力发电厂及能源综合利用相关设计工作(email)duanlp@ncpe.com.cn

    通讯作者: 段丽平,(email)duanlp@ncpe.com.cn
  • 中图分类号: TM73;TM911.4

摘要:     目的   燃料电池分布式发电技术是适应未来能源低碳化、清洁化、高效化发展趋势的重要应用方向。国内燃料电池电站项目较少,缺乏实际项目经验积累。为了推进燃料电池分布式电站技术的应用,文章概述了国内外应用现状,总结了高温燃料电池的优势与不足,调研了国内燃料电池建设应用案例,并建立了固体氧化物燃料电池与熔融碳酸盐燃料电池发电系统流程。    方法   经过文献调研与实地调研,确定了两种适合建设大型电站的燃料电池分布式发电技术,并利用AspenPlus化工模拟软件建立燃料电池系统流程模型、电化学模型和能量分析模型,并开展系统的性能仿真分析。    结果   分析结果与实际运行结果相吻合,分析预测的系统性能趋势与已有研究相一致。    结论   该仿真方法可用于兆瓦级高温燃料电池分布式发电系统的研究,可为扩大燃料电池应用规模提供数据支持。

English Abstract

李卓言, 段丽平, 李少华, 冯静. 基于AspenPlus的兆瓦级燃料电池分布式发电系统建模及仿真分析[J]. 南方能源建设, 2022, 9(4): 78-86. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.04.010
引用本文: 李卓言, 段丽平, 李少华, 冯静. 基于AspenPlus的兆瓦级燃料电池分布式发电系统建模及仿真分析[J]. 南方能源建设, 2022, 9(4): 78-86. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.04.010
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
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
    • 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]

      图  1  各国分布式能源发电占比

      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。

      表 1  国外部分应用产品的发电效率

      Table 1.  Power generation efficiency of some foreign application products

      国家企业-技术规模发电效率/%
      日本松下-PEMFC700 W39
      爱信精机-SOFC700 W46.5
      松下-PEMFC5 kW57
      三浦-SOFC4.2 kW50
      IHI公司-MCFC1 MW46.7
      美国Bloom Energy-SOFC200 kW~1 MW53~65
      韩国LG-SOFC200 kW60
      Fuel Cell Energy-MCFC2.4 MW47

      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。

      表 2  SOFC与MCFC的技术特点对比[10]

      Table 2.  Comparison of technical characteristics between SOFC and MCFC [10]

      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-YSZNi/AL、Ni/Cr
      阴极LSCFLi/Ni
      反应温度/℃800~1000650~700
      发电规模/W1~1061~106
      发电效率/%50~6045~60
      比功率/[W·(kg)−1]15~2030~40
      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。
    • 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。

      表 3  某25 kW SOFC系统运行参数

      Table 3.  Operating parameters of a 25 kW SOFC system

      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/kW1117182325
      重整甲烷流量/SLM59.964.969.969.972.4
      输出功率/kW11.517.118.823.525.3
      发电效率/%3244454861
      注:SLM——标况下(0 ℃,1 atm )升每分钟(Standard litre per minute)。

      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 ℃。

      表 4  中国华能集团清洁能源技术研究院5 kW、10 kW MCFC系统运行参数

      Table 4.  Operating parameters of 5 kW and 10 kW MCFC systems of China Huaneng Group Clean Energy Research Institute

      5 kW MCFC10 kW MCFC
      电堆组成100节单电池串联,
      有效面积1000 cm2
      200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 kW11.2 kW
    • 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。

      图  2  SOFC发电系统流程模型

      Figure 2.  SOFC power generation system process model

      表 5  SOFC建模设备选型

      Table 5.  SOFC model equipment type selection

      设备模块AspenPlus模型功能
      COMP1Compr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
      EJECTORMixer在喷射器中将来自阳极的
      返回气体与入口燃料混合
      SPLITFSplit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
      REFRGibbs模拟甲烷重整过程
      ANODE模拟电化学反应
      CARHODESep模拟阳极电化学反应氧离子传递的过程
      BURNERRStoic模拟阴阳极尾气燃烧过程
      HEATERHeater将阴极出气温度提高到电池工作温度
      HX1/2/3HeatX预热燃料、空气,利用尾气余热供热水
    • 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),h1h2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),T1T2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。

      表 6  SOFC建模条件

      Table 6.  SOFC modeling conditions

      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%

      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%。

      表 7  SOFC模型计算结果

      Table 7.  SOFC model calculation results

      电池参数数值电池参数数值
      VN/V0.912I/A1728149.2
      Vohm/V0.168J/(A·m−2)1938.77
      Vact/V0.112WSOFC/kW1015
      Vcon/V0.043ηe/%55.4
      VSOFC/V0.588ηQ/%30.15

      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]

      图  3  SOFC模型性能

      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。

      图  4  MCFC电系统流程模型

      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

      表 8  MCFC电化学模型

      Table 8.  MCFC electrochemical model

      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)。
    • 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]

      表 9  MCFC模型计算结果

      Table 9.  MCFC model calculation results

      电池参数数值电池参数数值
      VN/V0.82VMCFC/V0.68
      Van/V0.02WMCFC/kW1094
      Vcat/V0.068ηe/%49.7
      Vohm/V0.052ηQ/%26.5

      图  5  MCFC电池性能:(a)文献数据;(b)模拟数据

      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。

参考文献 (17)

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