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千瓦级固体氧化物燃料电池分布式发电系统发展自主知识产权的分布式SOFC发电系统，掌握核心技术、打破国外垄断是当务之急。

一、 背景

固体氧化物燃料电池可以直接使用氢气及多种碳基燃料，如煤气、天然气、醇类、油类等，实现洁净高效发电，尤其适用于分布式发电。美国、日本等发达国家已经初步实现了千瓦至兆瓦级SOFC分布式发电和热电联供系统的商业化应用，但是相关产品和核心技术均对中国禁运。发展自主知识产权的分布式SOFC发电系统，掌握核心技术、打破国外垄断是当务之急。

二、应用案例

1.项目概述

本项目开发的SOFC分布式发电/供能系统与现有的发电/热电联供技术相比具有更高的发电效率和更低的污染物排放，除了分布式电站应用外，还可以在交通运输、便携电源、飞行器及水下潜器等民用与军用领域有广阔的应用前景。项目突破了关键集成技术，形成装备，建立了高效辅助系统集成及健康管控、广谱燃料适应及稳定运行、多应用场景示范运行等系列技术体系，形成了系列产品，满足多用途需求。在山西、上海、四川、广东等地因地制宜地开发了适用于多应用场景的千瓦级SOFC发电系统，直接采用氢气、煤气、管道天然气、液化石油气等多种燃料高效发电，特别适用于分布式发电和热电联供等领域，项目合同额数亿元，取得了良好的经济效益。

2.主要效益

直接经济效益

本项目在山西晋煤集团建立了基于气化煤气为燃料的燃料电池发电系统运行和评价实验室，自主开发了碳基燃料电池示范及测试平台，实现了1~5 kW电力输出。使用碳基燃料提供清洁、高效的电力，无噪音、无腐蚀，尤其适合应用于分布式热电联供系统。2016、2017年分别为晋煤集团节支电费45万元、1610万元，合计1655万元。

社会效益与间接经济效益

本项目研发了具有完全自主知识产权的SOFC发电系统，在国内首次实现了基于广谱碳基燃料的SOFC分布式发电和供能系统示范运行，验证了技术的可靠性和广泛适用性，打破了国外垄断，填补了国内空白，取得了非常好的社会效益与一定的经济效益。

三、技术要点

1.本项目自主开发了以SOFC电池堆为核心的气-热-电辅助系统（BOP），包括燃料处理和供应、空气供应、尾气处理、电池堆温控和电力电子管理等模块。重点优化了机架组件、面板组件、保温、电气和自动控制模块的设计布局方式。在保证系统热区热量平衡和满足燃料、空气、尾气处理能力要求的前提下，减小了燃料、空气供应等模块的体积，并对各子模块的尺寸和布局进行了优化设计。

2.本项目自主开发了紧凑型换热网络及高效热量管控策略。开发了适用于高温燃料电池系统的微型燃烧器，提出了重整反应和电化学、燃烧反应的热量耦合互补策略，实现余热高效回收利用；采用了电池堆尾气部分回流的循环利用技术，形成重整反应闭式循环，提高系统效率的同时降低了水耗和能耗；系统研究了不同组分和温度下尾气循环比对SOFC电池堆入口及重整器入口气体组分的影响，确定了燃料、空气流量的安全可调区间。

3.自主开发了安全高效的功率管理策略。选用了结构简单、效率高的非隔离式升压构型的直流（DC-DC）变换器，优化并减小了电路的非线性现象，提高了电力输出稳定性；设计了实际工况下电安全并具有故障快速响应的燃料电池电管理系统及通讯网络。通过上述BOP模块设计、构建及优化，与高效电池堆耦合，集成了千瓦级SOFC发电系统。

4.自主开发了千瓦级SOFC系统多方案运行工艺包。建立了BOP系统关键模块仿真模型，包括燃料供应子系统（燃料净化器、重整器、水蒸汽发生器和燃料预热器等）、空气供应子系统（空气压缩机，空气预热器等）、热量管理子系统（微型燃烧器、换热器和尾气循环等）、电管理子系统（DC-DC变换器、逆变器等）；设计了单堆、多堆并联和串联多种组合方案，开发了基于甲烷重整的五种尾气循环利用方式，详细研究了各类方案下电堆温度、气体流量、工作电流、重整温度等关键运行参数对系统输出性能和效率的影响规律，并对电堆工作电流进行了优化；结合系统模拟仿真优化热区设计，实现了不同运行模式下的系统热区内的热量流动平衡。

5.自主开发了BOP系统硬件在环测试验证平台。发展了气-热-电辅助系统控制方法，设计了多变量协调的健康控制策略；针对系统启停特性、稳态运行特性和变载响应特性三个关键特性开展了系统研究和硬件在环验证；掌握了BOP各模块在不同燃料及空气流量、温度、压力下的动态特性和参数耦合规律，并优化了不同工况下的特性参数；成功将自主开发的在环测试验证平台应用于千瓦级SOFC分布式发电系统，为系统安全稳定运行提供保障。

6.构建了新型尾气处理催化燃烧器，掌握了燃料电池尾气富氧催化燃烧技术；研究了高温CO2与固体煤之间的高温反应过程，掌握了燃料连续输送和热平衡管理技术；研究并优化了合成气燃料高温净化与控制技术，成功应用于整体碳基燃料电池示范系统。

7.开展了适用LPG燃料SOFC发电系统优化和集成工作，对重整器、燃烧器、换热器等部件进行了优化设计；成功运行了自主启动、以LPG（以C3组分为主）复杂组成燃料的千瓦级SOFC分布式发电系统。

8.设计了高效的热量回收和循环系统，将尾气通过富氧催化燃烧，实现了化学能的清洁高效转化，采用系统自产的高温CO2尾气扰动煤粉形成动态流化床，实现了SOFC发电用燃料的连续供给，确保发电系统稳定运行。

四、应用前景

本项目在上海建立起多处示范基地，为华特迪士尼（上海）公司合作建立了智慧建筑热电联供及微能网中多能互补示范应用，与新奥集团下属的上海泛智能源装备有限公司联合，开发了针对城市天然气的120千瓦级SOFC-MGT联合发电系统，具有效率更高、排放更少、综合成本更低等优点，推动了相关产业的发展，获得了良好的应用前景。