李卓言 ，段麗平 ，李少華 ，馮靜

（1. 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120；2. 華北電力大學(xué) 新能源學(xué)院，北京 102206）

0 引 言

近年來(lái)，世界各國(guó)的能源利用呈現(xiàn)低碳化、清潔化、高效化的發(fā)展趨勢(shì)。分布式能源應(yīng)用直接針對(duì)終端用戶(hù)，相比傳統(tǒng)的能源集中式生產(chǎn)、運(yùn)輸、終端消費(fèi)的模式，可最大程度減少能源的輸送損耗，有效利用發(fā)電產(chǎn)生的余熱，提供不同的能源品類(lèi)并且提高能源的綜合利用效率[1]，將成為未來(lái)重要的能源利用模式。

目前國(guó)外分布式能源已實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的突破并逐漸拓展應(yīng)用，其中日本、美國(guó)、歐盟的技術(shù)和應(yīng)用處于領(lǐng)先水平，圖1 表明分布式能源在其國(guó)內(nèi)的應(yīng)用占比超過(guò)10%[2]。

圖1 各國(guó)分布式能源發(fā)電占比Fig. 1 Proportion of distributed energy generation by country

日本占有最大的微型燃料電池市場(chǎng)，由Ene-Farm/項(xiàng)目支持的PEMFC（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，質(zhì)子交換膜燃料電池）/SOFC（Solid Oxide Fuel Cell，固體氧化物燃料電池）系統(tǒng)平均價(jià)格低于100 萬(wàn)日元，目前有32 萬(wàn)日本用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)；美國(guó)Bloom Energy 公司在全球部署運(yùn)行了近500 MW 的發(fā)電系統(tǒng)，在過(guò)去十年中發(fā)電量超過(guò)16 TWh，包括蘋(píng)果谷歌eBay 等數(shù)據(jù)中心，沃爾瑪、宜家、美國(guó)國(guó)防部等商場(chǎng)及辦公樓，以及移動(dòng)基站和集散中心等；Fuel Cell Energy 公司安裝超過(guò)300 MW 的分布式電站設(shè)備，包括百千瓦級(jí)的SOFC 和兆瓦級(jí)的MCFC（Molten Carbonate Fuel Cell，熔融碳酸鹽燃料電池）分布式熱電聯(lián)供；韓國(guó)浦項(xiàng)制鐵入股Fuel Cell Energy后，共建立18 個(gè)燃料電池電站，累計(jì)發(fā)電170 MW，斗山集團(tuán)生產(chǎn)包括600 W、1 kW、5 kW、10 kW 的PEMFC 以及400 kW 的PAFC（Phosphoric Acid Fuel Cell，磷酸燃料電池），全球累計(jì)銷(xiāo)售上百套產(chǎn)品，累計(jì)發(fā)電量2 TWh。球累計(jì)銷(xiāo)售上百套產(chǎn)品，累計(jì)發(fā)電量2 TWh。表1[1]列出了國(guó)外部分應(yīng)用產(chǎn)品的發(fā)電效率。

表1 國(guó)外部分應(yīng)用產(chǎn)品的發(fā)電效率Tab. 1 Power generation efficiency of some foreign application products

國(guó)外在燃料電池分布式發(fā)電領(lǐng)域已有較多的示范應(yīng)用。廖文俊等[3]總結(jié)了已有的MW 級(jí)燃料電池電站案例；宋鵬飛等[4]給出了日本ENE-FARM 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，孫興進(jìn)等[5]詳細(xì)分析了國(guó)外MCFC 技術(shù)廠商并給出了IHI 1 MW MCFC 實(shí)驗(yàn)電廠數(shù)據(jù)，曹靜等[6]分析了國(guó)外SOFC 的分布式發(fā)電技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀?？傮w來(lái)看，無(wú)論是中小型燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)，還是大型燃料電池電站，國(guó)外已有相對(duì)成熟的技術(shù)，并且逐漸具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和規(guī)模化的市場(chǎng)推廣條件。

我國(guó)分布式能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展尚處于初期，已經(jīng)開(kāi)展了多個(gè)示范性項(xiàng)目建設(shè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2018 年底，我國(guó)分布式電源裝機(jī)量6 機(jī)10 GW，占總電源裝機(jī)量的3%，以分布式天然氣、光伏、風(fēng)電為主[7]。隨著國(guó)家政策推進(jìn)和技術(shù)發(fā)展，分布式能源產(chǎn)業(yè)將有更廣闊的發(fā)展空間。

分布式發(fā)電裝置主要有微型燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃料電池等。其中，燃料電池具有高效、環(huán)保、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于靠近用戶(hù)的千瓦級(jí)至兆瓦級(jí)的分布式發(fā)電系統(tǒng)，典型的應(yīng)用場(chǎng)景包括家庭、學(xué)校、醫(yī)院、辦公樓等。近年來(lái)隨著燃料電池技術(shù)的日趨成熟和成本的下降，隨著全球范圍內(nèi)對(duì)于碳排放控制的重視，燃料電池分布式發(fā)電已經(jīng)成為全球分布式能源發(fā)展的熱點(diǎn)之一[4]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的燃料電池技術(shù)快速發(fā)展，氫燃料電池系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化程度已達(dá)到60%，關(guān)鍵材料如膜電極、氫氣循環(huán)泵、空氣壓縮機(jī)等可實(shí)現(xiàn)小規(guī)模自主化生產(chǎn)[8]，但在系統(tǒng)集成、示范應(yīng)用等方面仍缺少經(jīng)驗(yàn)，整體產(chǎn)業(yè)還處于研發(fā)和小規(guī)模示范運(yùn)行階段。

文章以MCFC 與SOFC 為對(duì)象，建立燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展系統(tǒng)的仿真模擬，并與實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)參數(shù)相對(duì)比，驗(yàn)證仿真結(jié)果，從而為后續(xù)的工程應(yīng)用分析建立基礎(chǔ)。

1 高溫燃料電池技術(shù)特點(diǎn)及其在國(guó)內(nèi)的示范應(yīng)用

燃料電池是一種直接將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，通常指氫氣、甲烷等氣體燃料，其能量轉(zhuǎn)換通過(guò)電極上的電化學(xué)過(guò)程進(jìn)行[9]，因此燃料電池的發(fā)電效率不像傳統(tǒng)的熱機(jī)那樣受到卡諾循環(huán)效率的限制，與傳統(tǒng)熱機(jī)相比能量利用效率可提高10%～20%，高溫燃料電池分布式發(fā)電的綜合利用效率甚至可到達(dá)85%～95%，且其污染物排放水平也明顯低于傳統(tǒng)的火力發(fā)電。

高溫燃料電池主要包括SOFC 與MCFC 兩種模式，其工作原理如式（1）～（4）所示。

高溫燃料電池的工作溫度較高，決定了其燃料適應(yīng)性較廣泛，可利用天然氣、沼氣、煤制合成氣等（見(jiàn)表2）。除了外部重整制氫，在高溫下電池內(nèi)部也會(huì)發(fā)生重整反應(yīng)，且不需要貴金屬催化劑。同時(shí)燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率高，排氣溫度高，具有更大的余熱利用價(jià)值。但高溫工作環(huán)境對(duì)燃料電池材料提出了更高要求，隨著反應(yīng)溫度提高，其成本也隨之上升。

表2 SOFC 與MCFC 的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比[10]Tab. 2 Comparison of technical characteristics between SOFC and MCFC [10]

1.1 SOFC 示范應(yīng)用樣例

率會(huì)受到其他輔機(jī)系統(tǒng)效率和環(huán)境因素的影響。

這套設(shè)備運(yùn)行時(shí)間較短，發(fā)電過(guò)程存在的以下問(wèn)題值得關(guān)注：（1）設(shè)備自動(dòng)化程度較低，運(yùn)行中依賴(lài)人工調(diào)整進(jìn)氣流速等參數(shù)；（2）設(shè)備的啟停時(shí)間長(zhǎng)，因系統(tǒng)中的電池片較多，逐層加熱到工作溫度需要的總時(shí)間較長(zhǎng)；（3）無(wú)法監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)部電池片狀態(tài)，當(dāng)內(nèi)部電池片損壞時(shí)無(wú)法根據(jù)其他參數(shù)判斷。

1.2 MCFC 示范應(yīng)用樣例

MCFC 熔融碳酸鹽燃料電池在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用相比SOFC 更加小眾，但優(yōu)勢(shì)比較突出。首先MCFC 的制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，核心技術(shù)已有較大突破，可實(shí)現(xiàn)自主生產(chǎn)且運(yùn)行效果良好，同時(shí)與微型燃?xì)廨啓C(jī)組成底層循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)CO2捕集，且電池發(fā)電規(guī)模易于放大，適于工程應(yīng)用，可作為固定電站或分布式電站的重要選擇。目前國(guó)內(nèi)以華能清潔研究院的研究成果為領(lǐng)先技術(shù)[11]。

表4 為中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院研發(fā)的MCFC 設(shè)備參數(shù)，目前從電極、雙極板、隔膜材料到集成技術(shù)均已實(shí)現(xiàn)自主化生產(chǎn)，其中隔膜生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)過(guò)十幾年的迭代更新，日趨成熟，能夠保證隔膜的厚度與性能穩(wěn)定；MCFC 電堆的壽命約為2×104h，中間不可停運(yùn)；為使電解質(zhì)呈熔融態(tài)，電池工作溫度不得低于600 ℃，通常為650 ℃。

表4 中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院5 kW、10 kW MCFC 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)Tab. 4 Operating parameters of 5 kW and 10 kW MCFC systems of China Huaneng Group Clean Energy Research Institute

表3 某25 kW SOFC 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)Tab. 3 Operating parameters of a 25 kW SOFC system

2 高溫燃料電池模擬系統(tǒng)

目前在高溫燃料電池領(lǐng)域我國(guó)已有自主生產(chǎn)的設(shè)備產(chǎn)品，但只是少量的示范性應(yīng)用，還缺少?gòu)V泛的實(shí)際應(yīng)用基礎(chǔ)，無(wú)法為規(guī)?；⒏咝б娴墓こ淘O(shè)計(jì)提供更多的數(shù)據(jù)，尤其是當(dāng)前的示范應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)電功率較小，與兆瓦級(jí)分布式發(fā)電應(yīng)用的要求還有較大差距，亟需開(kāi)展兆瓦級(jí)分布式燃料電池系統(tǒng)的應(yīng)用研究探索。文章分別建立1 MW 級(jí)SOFC 和MCFC發(fā)電系統(tǒng)模型，并以此為基礎(chǔ)開(kāi)展系統(tǒng)的仿真分析，為我國(guó)今后分布式高溫燃料電池系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐和理論分析基礎(chǔ)。

2.1 SOFC 系統(tǒng)建模

2.1.1 系統(tǒng)流程建模

文章基于化工流程模擬軟件AspenPlus 建立SOFC發(fā)電系統(tǒng)模型，如圖2 所示，系統(tǒng)主要包括燃料與空氣供應(yīng)系統(tǒng)、重整制氫系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、后燃室及余熱利用系統(tǒng)。燃料經(jīng)過(guò)加壓進(jìn)入重整器，通過(guò)絕熱重整生成H2、CO 等合成氣，隨后該合成氣進(jìn)入陽(yáng)極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電，發(fā)電后一部分陽(yáng)極尾氣回流，為重整反應(yīng)提供水蒸氣，剩余陽(yáng)極尾氣進(jìn)入后燃室燃燒；空氣經(jīng)過(guò)加壓和預(yù)熱進(jìn)入陰極，陰極分離一部分氧氣用于模擬氧離子的遷移，剩下的空氣與陽(yáng)極尾氣進(jìn)一步燃燒，最后利用燃燒后的高溫?zé)煔饧訜徇M(jìn)氣流股，同時(shí)加熱居民用水。各個(gè)模塊選型與工作原理如表5 所示。

表5 SOFC 建模設(shè)備選型Tab. 5 SOFC model equipment type selection

圖2 SOFC 發(fā)電系統(tǒng)流程模型Fig. 2 SOFC power generation system process model

2.1.2 SOFC 電化學(xué)建模

電化學(xué)模型用于計(jì)算燃料電池的輸出電壓及功率，決定了模型的準(zhǔn)確性。常用的計(jì)算模型有直接計(jì)算法與間接計(jì)算法。其中間接計(jì)算法依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算簡(jiǎn)單但精確度低，故文章采用直接計(jì)算法，該模型已有較多應(yīng)用案例。文章采用W.Doherty 的電化學(xué)模型[12]，在理想能斯特電壓基礎(chǔ)上，考慮因電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程的延緩產(chǎn)生的活化損失，因電極、電解質(zhì)的電阻產(chǎn)生的歐姆損失，在多孔電極中因介質(zhì)傳輸受限產(chǎn)生的濃差極化損失，最后得到電池實(shí)際輸出電壓。

2.1.3 能量分析模型

模型假設(shè)重整過(guò)程與后燃室無(wú)散熱損失，燃料電池系統(tǒng)中的主要能量轉(zhuǎn)換包括壓縮機(jī)耗功、電池發(fā)電、換熱器加熱工質(zhì)等，綜合考慮反應(yīng)焓變、發(fā)電量、熱交換量，各模塊的能量平衡如式（5）～（10）所示[13]。

壓縮機(jī)功耗：

燃料電池能量平衡：

2.1.4 系統(tǒng)性能分析模型發(fā)電效率：

2.1.5 結(jié)果與討論

使用AspenPlus 模擬SOFC 發(fā)電過(guò)程，使用天然氣為燃料，進(jìn)入系統(tǒng)的空氣為79%的N2和21%的O2，表6 給出了SOFC 系統(tǒng)的具體工藝參數(shù)。

表6 SOFC 建模條件Tab. 6 SOFC modeling conditions

以前述電化學(xué)模型為基礎(chǔ)，參考某25 kW 規(guī)模SOFC 項(xiàng)目系統(tǒng)參數(shù)（包括電池板尺寸、電流密度、進(jìn)料流量等），構(gòu)建了1 MW 的分布式燃料電池模擬系統(tǒng)，并對(duì)該發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模擬。仿真計(jì)算主要結(jié)果如表7 所示，在能斯特電壓VN基礎(chǔ)上，減去歐姆損失Vohm、活化損失Vact、濃差極化損失Vcon，得到電池輸出電壓VSOFC；采用華電電科院電池的電流密度參數(shù)，計(jì)算得到總電流量和輸出功率，系統(tǒng)的發(fā)電效率和熱利用效率分別為55.4%和30.15%。

表7 SOFC 模型計(jì)算結(jié)果Tab. 7 SOFC model calculation results

圖3 SOFC 模型性能Fig. 3 SOFC model performance

2.2 MCFC 系統(tǒng)

2.2.1 MCFC 系統(tǒng)建模

基于AspenPlus 軟件建立如圖4 所示1 MW MCFC系統(tǒng)流程。與SOFC 系統(tǒng)不同之處在于，此時(shí)陽(yáng)極設(shè)置燃燒煙氣回流，在陰極與氧氣一同進(jìn)入陽(yáng)極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，該過(guò)程模擬實(shí)際運(yùn)行中CO32-的遷移。關(guān)鍵模塊選型與SOFC 相似。

圖4 MCFC 電系統(tǒng)流程模型Fig. 4 MCFC power generation system process model

2.2.2 MCFC 電化學(xué)模型

MCFC 的電化學(xué)模型相比SOFC 簡(jiǎn)單，主要考慮三部分電阻的影響（見(jiàn)表8），該模型已有文獻(xiàn)使用驗(yàn)證[16]。能量分析模型與系統(tǒng)性能模型與SOFC 系統(tǒng)類(lèi)似，可參考表5。

表8 MCFC 電化學(xué)模型Tab. 8 MCFC electrochemical model

2.2.3 結(jié)果與討論

MCFC 模擬系統(tǒng)采用天然氣為燃料，參考前述MCFC 電堆參數(shù)，設(shè)置燃料利用率為85%，電流密度為800 mA/cm2。以前述模型為基礎(chǔ)，對(duì)MCFC 系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬。該MCFC 系統(tǒng)仿真計(jì)算結(jié)果如表9所示，計(jì)算能斯特電壓VN，歐姆損失Vohm、陽(yáng)極損失Van、陰極損失Vcat，得到電池輸出電壓VMCFC，及輸出功率WMCFC，發(fā)電效率及熱利用效率分別為49.7%和26.5%，根據(jù)表4 中10 kW 案例，其單電池電壓為0.7 V，系統(tǒng)發(fā)電效率約為51%；對(duì)比發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)相近；同時(shí)基于該仿真模型，研究了該電池的性能狀態(tài)，如圖5 所示，其性能變化規(guī)律與已有研究文獻(xiàn)中的趨勢(shì)相符[17]。

圖5 MCFC 電池性能：（a）文獻(xiàn)數(shù)據(jù)；（b）模擬數(shù)據(jù)Fig. 5 MCFC cell performance: (a) literature data; (b) simulated data

表9 MCFC 模型計(jì)算結(jié)果Tab. 9 MCFC model calculation results

3 結(jié)論

文章概述了燃料電池分布式發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)及其國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況，介紹了高溫燃料電池的相對(duì)優(yōu)勢(shì)和不足，并對(duì)SOFC 和MCFC 的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步介紹了國(guó)內(nèi)某25 kW的SOFC 發(fā)電系統(tǒng)，和中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院5 kW、10 kW MCFC 發(fā)電系統(tǒng)的主要特征。結(jié)合這兩個(gè)示范應(yīng)用樣例，基于AspenPlus 分別建立對(duì)應(yīng)的1 MW 級(jí) SOFC 發(fā)電系統(tǒng)模型和MCFC 系統(tǒng)模型，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)吻合較好，且仿真獲得的系統(tǒng)性能變化趨勢(shì)也與已有研究相一致，驗(yàn)證了仿真模型和方法的正確性。該方法為后續(xù)開(kāi)展兆瓦級(jí)分布式燃料電池技術(shù)的工程應(yīng)用提供了有益的借鑒。