胡小夫，汪洋，田立，蘇軍劃，耿宣，沈建永，張南極

(中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100070)

0 引言

燃料電池是一種直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其一次發(fā)電效率高達(dá)50.0%～60.0%。而傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最后將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，受“卡諾循環(huán)”限制，綜合發(fā)電效率僅為35.0%～45.0%。因此，燃料電池相比于傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電具有發(fā)電效率高、燃料適應(yīng)性強(qiáng)、無(wú)粉塵及殘?jiān)O2排放少、噪音污染小等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)正以?shī)^起直追的勢(shì)頭快步進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用階段，成為繼火電、水電、核電后的第四代發(fā)電方式[1-2]。

根據(jù)電解質(zhì)的不同將燃料電池分為磷酸型燃料電池(PAFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)。與其他3類燃料電池相比，SOFC具有燃料種類多樣化(如H2、天然氣、煤氣、生物質(zhì)氣等)、發(fā)電效率高、全固態(tài)結(jié)構(gòu)、無(wú)液態(tài)熔融鹽腐蝕、成本相對(duì)較低、易選址、燃料種類多、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以及能夠?qū)崿F(xiàn)熱電聯(lián)供或與蒸汽輪機(jī)混合進(jìn)行二次發(fā)電等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)化石燃料發(fā)電技術(shù)的理想選擇之一[3-4]。

中高溫SOFC的工作溫度一般在600～1 000 ℃，排氣具有較高品味的余熱，直接排放會(huì)造成大量的熱量損失，SOFC與余熱回收裝置組成的各種聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可以具有更高的發(fā)電效率。研究發(fā)現(xiàn)，固體氧化物燃料電池/微型燃?xì)廨啓C(jī)(SOFC/MGT)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的能量利用率高達(dá)80.0%～95.0%，目前被認(rèn)為是SOFC發(fā)電系統(tǒng)能量利用的最有效方式，也是未來(lái)分布式發(fā)電系統(tǒng)的主要裝置[5-8]。本文主要介紹SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的工作原理和基于CH4的SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，闡述SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀并對(duì)其前景進(jìn)行展望。

1 SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 SOFC結(jié)構(gòu)及工作原理

SOFC電池組一般是將單電池串聯(lián)或并聯(lián)，再通過(guò)連接材料和密封材料組裝成大功率電池堆。SOFC單電池由內(nèi)到外分別是陰極、電解質(zhì)、陽(yáng)極、連接體和電池間集流體，SOFC單電池的物理結(jié)構(gòu)是電解質(zhì)兩側(cè)貼附著陽(yáng)極和陰極，催化劑附著在陽(yáng)極和陰極材料上[9-10]。陰極的作用是將注入的氧氣均勻地分布在陰極材料表面，通過(guò)催化作用使氧原子得到電子變成氧離子；陽(yáng)極的作用是將氫氣均勻地分散在陽(yáng)極材料表面并完成電子的傳導(dǎo)，在外電路實(shí)現(xiàn)有效的功率輸出。SOFC單電池根據(jù)其物理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同分為管式和平板式，如圖1所示[11-12]，圖中：Air，空氣；Cathode，陰極；Electrolyte，電解質(zhì)；Anode，陽(yáng)極；Flat plate solid oxide fuel cell，平板式固體氧化物燃料電池；Fuel，燃料；Cell repeat unit，電池的重復(fù)單元；Current flow，電流；Interconnect，連接體。

圖1 管式和層式SOFC結(jié)構(gòu)示意[13]Fig.1 Schematic of tubular and layered SOFC structures[13]

SOFC的工作原理是在SOFC陰極側(cè)O2得到電子變成氧離子，滲透過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陽(yáng)極，在燃料氣體、電極和電解質(zhì)三相交界的三相界面(TPB)處，H2和氧離子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成H2O(如圖2所示)，氧離子失去的電子通過(guò)外電路流回陰極，再與O2結(jié)合產(chǎn)生氧離子，其反應(yīng)式見(jiàn)式(1)—(3)[13-14]。

電化學(xué)反應(yīng)

(1)

陽(yáng)極反應(yīng)

(2)

陰極反應(yīng)

(3)

圖2 SOFC電池在三相界面(TPB)上反應(yīng)示意Fig.2 SOFC battery reaction on the three-phase boundary (TPB)

1.2 SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)

SOFC排氣溫度和MGT渦輪進(jìn)口溫度具有相容性，將它們組成聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)不僅可以提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，還可以為未來(lái)分布式發(fā)電提供一種極具前景的解決方案。圖3是SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)示意圖。SOFC電池堆作為一個(gè)燃燒器單元，壓縮空氣和燃料進(jìn)入SOFC電池堆中產(chǎn)生電能，燃料化學(xué)能(約50.0%)轉(zhuǎn)化成電能，然后高溫尾氣經(jīng)燃燒室燃燒后再給MGT供氣，MGT利用高溫尾氣產(chǎn)生附加電力提高系統(tǒng)效率(約30.0%)[15]。

圖3 SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)示意[16]Fig.3 Schematic of SOFC/MGT combined power generation system[16]

2 基于CH4的SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)

在短期內(nèi)直接將H2作為SOFC的燃料較難實(shí)現(xiàn)，而天然氣(CH4)儲(chǔ)量大、分布廣且較廉價(jià)易得，采用CH4重整制得SOFC的燃料是目前最易實(shí)現(xiàn)的操作方式。CH4重整制氫主要包括外重整制氫和內(nèi)重整制氫2種方式。

2.1 采用CH4外重整制氫的SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)

基于SOFC的CH4外重整制氫技術(shù)主要包括水汽重整(SMR)制氫技術(shù)、部分氧化重整(POX)制氫技術(shù)和自熱重整(ATR)制氫技術(shù)，其中水汽重整制氫是目前應(yīng)用最廣泛的熱力學(xué)制氫技術(shù)[17]。由于SOFC系統(tǒng)對(duì)燃料成分要求不嚴(yán)格，經(jīng)過(guò)高溫水汽反應(yīng)的產(chǎn)物(甲烷、CO、CO2等)可直接通入電堆，不需要水煤氣轉(zhuǎn)化過(guò)程，避免增加低溫水汽變換反應(yīng)和選擇性氧化反應(yīng)而帶來(lái)復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[18]。

基于CH4外重整制氫技術(shù)的SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)如圖4所示。經(jīng)脫硫處理后的天然氣與水混合，經(jīng)過(guò)換熱器預(yù)熱后進(jìn)入天然氣重整制氫反應(yīng)單元進(jìn)行重整反應(yīng)(見(jiàn)式(4))，得到的合成氣進(jìn)入合成氣凈化單元，發(fā)生置換反應(yīng)(見(jiàn)式(5))，除去合成氣中的CO，得到富氫氣體，進(jìn)入SOFC發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)(見(jiàn)式(6))，SOFC排出的高溫尾氣進(jìn)入燃?xì)馔钙脚蛎涀龉Γ瑤?dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，為用戶供電和供熱。

重整反應(yīng)

(4)

置換反應(yīng)

(5)

電化學(xué)反應(yīng)

(6)

圖4 基于CH4外重整制氫技術(shù)的SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)示意Fig.4 External reforming technology of hydrogen production in SOFC/MGT combined power generation system based on methane

2.2 采用CH4內(nèi)重整制氫的SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)

中高溫SOFC工作溫度在600～1 000 ℃，而CH4重整反應(yīng)溫度在600～800 ℃，因此可以將CH4重整制氫過(guò)程安置在SOFC內(nèi)部。采用內(nèi)重整制氫過(guò)程可以大大降低系統(tǒng)成本及能耗，這是因?yàn)閮?nèi)重整制氫不需要單獨(dú)的燃料重整器，電池電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水可以為重整反應(yīng)提供部分水蒸氣；電化學(xué)反應(yīng)連續(xù)地消耗H2也有利于重整反應(yīng)的進(jìn)行，增大燃料轉(zhuǎn)換率；同時(shí)內(nèi)重整制氫反應(yīng)為強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)，而電化學(xué)反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，內(nèi)重整制氫反應(yīng)吸收電化學(xué)反應(yīng)放出的熱量，使得SOFC發(fā)生的內(nèi)重整制氫反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)相互促進(jìn)[4]。

CH4內(nèi)重整制氫反應(yīng)發(fā)生在SOFC燃料入口處，在入口處由于水蒸氣和甲烷濃度適宜，H2濃度低，重整反應(yīng)向正方向進(jìn)行，直接生成H2和CO，CO再發(fā)生置換反應(yīng)產(chǎn)生H2。隨著內(nèi)重整制氫反應(yīng)的發(fā)生，H2濃度增加，對(duì)重整反應(yīng)起抑制作用，同時(shí)甲烷和水蒸氣大量消耗，重整反應(yīng)速度下降。在SOFC后半部分，產(chǎn)生的H2使電化學(xué)反應(yīng)快速進(jìn)行(如圖5所示)。

圖5 SOFC工作原理示意Fig.5 SOFC working principle

基于CH4內(nèi)重整制氫技術(shù)的SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)如圖6所示。壓縮機(jī)將燃料加壓后經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱，然后與預(yù)熱的水蒸氣混合，再送入燃料電池的陽(yáng)極，在陽(yáng)極中發(fā)生重整反應(yīng)、置換反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)，陰極中的反應(yīng)物為經(jīng)過(guò)加壓和預(yù)熱后的空氣；SOFC陽(yáng)極未完全反應(yīng)的燃料氣和陰極未完全反應(yīng)的貧氧空氣在后燃燒中發(fā)生燃燒反應(yīng)。燃燒后的高溫高壓排氣進(jìn)入燃?xì)馔钙脚蛎涀龉?，帶?dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，透平的排氣則先后經(jīng)過(guò)空氣、燃料和水蒸氣的預(yù)熱器用來(lái)預(yù)熱燃料和空氣。在混合系統(tǒng)總體工況負(fù)荷特性下，混合系統(tǒng)效率的最大化可通過(guò)增加燃料電池的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)[19]。

圖6 基于CH4內(nèi)重整制氫技術(shù)的SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)示意[19]Fig.6 Internal reforming technology of hydrogen production in SOFC/MGT combined power generation system based on methane[19]

3 SOFC/GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用研究

德國(guó)西門子公司、日本三菱公司最早開(kāi)展SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電技術(shù)的研究[20]。2000年德國(guó)西門子西屋公司將世界上第1臺(tái)SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)安裝于美國(guó)加利福尼亞大學(xué)，該系統(tǒng)由1個(gè)增壓SOFC模塊和1個(gè)MGT組成，輸出功率為220 kW，其中SOFC占200 kW，MGT占20 kW[21]。2013年日本三菱重工公司研發(fā)出200 kW管式SOFC與MGT混合發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)以天然氣為燃料，運(yùn)行已超過(guò)4 000 h；2017年該公司又推出代號(hào)為Hybrid-FC的250 kW SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)商業(yè)化產(chǎn)品，系統(tǒng)整體效率為65.0%，目前已在日本5個(gè)城市進(jìn)行了長(zhǎng)期的示范運(yùn)行(如圖7所示)。

圖7 日本三菱重工250 kW SOFC/MGT聯(lián)合系統(tǒng)[16]Fig.7 Japan Mitsubishi Heavy Industries 250 kW SOFC/MGT combined system[16]

SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)龐大、性能復(fù)雜等特性，單靠實(shí)驗(yàn)室常規(guī)試驗(yàn)研究存在成本較高、實(shí)施困難等問(wèn)題，因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始以數(shù)值模擬和仿真分析研究聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。Y.Haseli等[22]通過(guò)熱力學(xué)分析比較了SOFC/MGT聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)和傳統(tǒng)的MGT循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)電效率，結(jié)果表明：在相同的條件下SOFC/MGT聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)具有更高的熱效率，比MGT循環(huán)系統(tǒng)高27.8%。Marco Santin等[23]采用WTEMP軟件對(duì)SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)在甲醇、煤油等燃料情況下燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)的效率和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究，研究表明：采用甲醇為燃料的低成本系統(tǒng)最具吸引力。Prapan Kuchonthar[24]采用Aspen Plus對(duì)SOFC和MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行模擬，比較SOFC/MGT發(fā)電系統(tǒng)在熱、蒸汽利用和單熱回收利用方面的性能，發(fā)現(xiàn)使用蒸汽利用系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。

我國(guó)許多研發(fā)機(jī)構(gòu)和高校也通過(guò)數(shù)值模擬和仿真分析對(duì)SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)。張安超等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在最佳操作溫度和燃料利用率下SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的性能最佳，聯(lián)合發(fā)電效率高達(dá)80.0%。陳啟梅等[26]考察了高溫燃料電池直接燃燒式混合發(fā)電系統(tǒng)和間接燃燒式混合發(fā)電系統(tǒng)，研究表明：直接燃燒式混合發(fā)電系統(tǒng)效率高，而間接燃燒式混合發(fā)電系統(tǒng)中燃料電池運(yùn)行良好，易集成和啟動(dòng)，且使用壽命長(zhǎng)。李賀等[27]利用Aspen Plus軟件建立SOFC、MGT、吸收式制冷和熱泵模型，研究采用變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模式、空氣調(diào)節(jié)閥模式等方式對(duì)混合發(fā)電系統(tǒng)性能的影響，并提出一種新的控制模式，可以使SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)具有優(yōu)越的變工況性能，使系統(tǒng)效率維持在56.4%以上。盧立寧[28]研究SOFC/MGT聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，以提高發(fā)電效率和 效率為目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。吳小娟[29]利用 Matlab/Simulink 仿真建立SOFC/MGT各部件動(dòng)態(tài)模型，按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接各子模塊并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。岳秀艷等[30]通過(guò)建立熱力學(xué)模型提出SOFC冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，分析了運(yùn)行參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)發(fā)電功率和制冷量的影響。王建國(guó)等[31]利用Aspen Plus和Fortran程序分析SOFC/GT/ST系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明：較高的壓力、溫度和燃料利用率有利于提高SOFC系統(tǒng)性能。楊倩[32]利用Aspen Plus等計(jì)算程序?qū)OFC/MGT/Kalina聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行模擬，考察了不同工況下SOFC操作壓力、電流密度、空氣流量、燃料利用率等運(yùn)行參數(shù)對(duì)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果表明：在特定工況下發(fā)電效率高達(dá)73.1%。

4 展望

SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，大大提高能源利用率，因此SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景。由于天然氣具有儲(chǔ)量大、分布廣并可直接在SOFC高溫陽(yáng)極室內(nèi)重整等優(yōu)點(diǎn)，使采用內(nèi)重整制氫的基于CH4的SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)會(huì)成為未來(lái)能源路線轉(zhuǎn)移的必然趨勢(shì)。我國(guó)科研機(jī)構(gòu)和高校應(yīng)加強(qiáng)在SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電技術(shù)方面的研發(fā)力度，使我國(guó)盡早掌握具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SOFC/MGT聯(lián)合發(fā)電技術(shù)。